如何理解步進電機的失步和過沖？

　　東莞電機小編在本文分享關于步進電機的相關介紹，一些失步與過沖的原理資料，著重對步進電機的失步和過沖現象進行了詳盡的闡述，供大家學習理解。

　　步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

　　步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

　　步進電機的主要分類：從其結構形式上可分為反應式步進電機(Variable Reluctance，VR)、永磁式步進電機Permanent Magnet，PM)、混合式步進電機(Hybrid Stepping，HS)、單相步進電機、平面步進電機等多種類型，在我國所采用的步進電機中以反應式步進電機為主。

　　步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系，步進電機控制系統從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環控制系統、閉環控制系統、半閉環控制系統。半閉環控制系統在實際應用中一般歸類于開環或閉環系統中。

　　反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。

　　永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大(一般為7.5°或15°)。

　　混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

　　按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍(0.007°/微步)。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

步進電機和驅動器的選擇方法：

　　判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步進電機的主要參數之一。負載大時，需采用大力矩電機。力矩指標大時，電機外形也大。

　　判斷電機運轉速度：轉速要求高時，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅動器時采用較高供電電壓。

　　選擇電機的安裝規格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關。

　　確定定位精度和振動方面的要求情況：判斷是否需細分，需多少細分。

　　根據電機的電流、細分和供電電壓選擇驅動器。

　　工作原理：通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

　　發熱原理：通常見到的各類電機，內部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗;鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進電機普遍存在發熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

　　主要構造：步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能，人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(例如打印機、磁盤驅動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業、軍事、醫療、汽車還是娛樂業中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。

　　步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

步進電機加減速過程控制技術

　　正因為步進電機的廣泛應用，對步進電機的控制的研究也越來越多，在啟動或加速時如果步進脈沖變化太快，轉子由于慣性而跟隨不上電信號的變化，產生堵轉或失步在停止或減速時由于同樣原因則可能產生超步。為防止堵轉、失步和超步，提高工作頻率，要對步進電機進行升降速控制。

　　步進電機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉子齒數和運行拍數一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步力矩而啟動的，為了不發生失步，啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。

　　步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率，而要有一個啟動過程，即從一個低的轉速逐漸升速到運行轉速。停止時運行頻率不能立即降為零，而要有一個高速逐漸降速到零的過程。

　　步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發生過沖。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖，其關鍵在于使加速過程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進電機的運行一般要經過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點到終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。

　　國內外的科技工作者對步進電機的速度控制技術進行了大量的研究，建立了多種加減速控制數學模型，如指數模型、線性模型等，并在此基礎上設計開發了多種控制電路，改善了步進電機的運動特性，推廣了步進電機的應用范圍指數加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性，既能保證步進電機在運動中不失步，又充分發揮了電機的固有特性，縮短了升降速時間，但因電機負載的變化，很難實現而線性加減速僅考慮電機在負載能力范圍的角速度與脈沖成正比這一關系，不因電源電壓、負載環境的波動而變化的特性，這種升速方法的加速度是恒定的，其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性，步進電機在高速時會發生失步。

步進電機的細分驅動控制

　　步進電機由于受到自身制造工藝的限制，如步距角的大小由轉子齒數和運行拍數決定，但轉子齒數和運行拍數是有限的，因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的，步進的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動，噪音比其他微電機都高，使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能應用在一些要求較低的場合，對要求較高的場合，只能采取閉環控制，增加了系統的復雜性，這些缺點嚴重限制了步進電機作為優良的開環控制組件的有效利用。細分驅動技術在一定程度上有效地克服了這些缺點。

　　步進電機細分驅動技術是年代中期發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動技術。年美國學者、首次在美國增量運動控制系統及器件年會上提出步進電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里，步進電機細分驅動得到了很大的發展。逐步發展到上世紀九十年代完全成熟的。我國對細分驅動技術的研究，起步時間與國外相差無幾。在九十年代中期的到了較大的發展。主要應用在工業、航天、機器人、精密測量等領域，如跟蹤衛星用光電經緯儀、軍用儀器、通訊和雷達等設備，細分驅動技術的廣泛應用，使得電機的相數不受步距角的限制，為產品設計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅動技術上，采用斬波恒流驅動，儀脈沖寬度調制驅動、電流矢量恒幅均勻旋轉驅動控制止，，幾大大提高步進電機運行運轉精度，使步進電機在中、小功率應用領域向高速且精密化的方向發展。

　　最初，對步進電機相電流的控制是由硬件來實現的，通常采用兩種方法，采用多路功率開關電流供電，在繞組上進行電流疊加，這種方法使功率管損耗少，但由于路數多，所以器件多，體積大。先對脈沖信號疊加，再經功率管線性放大，獲得階梯形電流，優點是所用器件少，但功率管功耗大，系統功率低，如果管子工作在非線性區會引起失真、由于本身不可克服的缺點，因此目前已很少采用這兩類方法。

如何理解步進電機的失步和過沖

　　失步應該就是漏掉了脈沖沒有運動到指定的位置。過沖應該就是和失步相反，運動到超過了指定的位置。

　　在一些控制簡單或要求低成本的運動控制系統中，常會用步進電機。最大的優勢是：以開環的方式來控制位置和速度。但正因為是開環控制，負載位置對控制回路沒有反饋，步進電機就必須正確響應每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當，步進電機就不能夠移動到新的位置。負載實際的位置相對于控制器所期待的位置出現永久誤差，即發生失步現象或過沖想象。因此，在步進電機開環控制系統中，如何防止失步和過沖是開環控制系統能否正常運行的關鍵。

　　失步和過沖現象分別出現在步進電機啟動和停止的時候。一般情況下，系統的極限啟動頻率比較低，而要求的運行速度往往比較高。如果系統以要求的運行速度直接啟動，因為該速度已經超限，啟動頻率而不能正常啟動，起則發生丟步，重則根本不能啟動，產生堵轉。系統運行起來后，如果達到終點時立即停止發送脈沖，令其立即停止，則由于系統慣性的作用，步進電機會轉過控制器所希望的平衡位置。

　　為了克服步進失步和過沖現象，應該在啟動停止時加入適當的加減速控制。我們一般采用：運動控制卡作上位控制單元、具有控制功能的PLC作上位控制單元、單片機作上位控制單元來控制運動加減速可以克服失步過沖現象。

　　通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(及步進角)。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率。如果在脈沖頻率高于空載啟動頻率，步進電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉現象。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機高速轉動，脈沖頻率應該有一個合理的加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。

　　啟動頻率 = 啟動轉速 × 每轉多少步。空載啟動轉速就是步進電機不通過加減速不負載直接轉動起來。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。

　　假設：需要減速器的總的輸出轉矩是T1，輸出的轉速是N1，減速比是5：1，步進電機的步進角度是A，那么電機的轉速是：5*(N1)，那么電機的輸出轉矩應該是(T1)/5，電機的工作頻率應該是

　　5*(N1)*360/A，所以你應該看矩頻特性曲線：坐標點[(T1)/5，5*(N1)*360/A]是不是在頻特性曲線(啟動矩頻曲線)的下面。如果在矩頻曲線的下面，你可以選擇這個電機。如果是在矩頻曲線上面，則，你不能選擇這個電機，因為會失步，或者根本就不能轉動。

　　補充：你是否確定了工作狀態，你需要的最大轉速確定了嗎，如果確定了，那就可以根據上面提供的公式進行計算，(根據轉動的最大速度，和負載的大小，你就可以確定你現在選用的步進電機是否適合，如果不適合你也應該知道要選用什么樣的步進電機了)。

　　另外：步進電機在啟動了以后，可以在負載不變的情況下，再提高頻率，因為步進電機矩頻曲線實際上應該有兩條的，你有的那條應該是啟動矩頻曲線，而另外一條是脫出矩頻曲線，這條曲線代表的含義是：在啟動頻率下啟動電機，啟動完成以后可以增加負載，但電機不會失步的狀態;或者是在啟動頻率下啟動電機，在負載不變的情況下，可以適當增加運轉速度，但電機不會失步的狀態。

　　關于步距角，比如說你是A-B-C-D-A單四拍控制，那么步距角就是一個A走過的角度，關于最大牽入頻率，其指的是A-B之間的間隔頻率，手冊里給的都是>于某個值，但是在實際應用時感覺應該給的值就是最大值，例如>250PPS，那么A之后的delay就滿足1/delay <=250, delay>=4ms，給3ms它走不起來。

　　結語：的確有人在研究不使用編碼器但又能檢測到丟步和堵轉。不過目前這些還遠遠沒有成熟到可以與編碼器匹敵的地步，路還很長。

　　實際上，使用編碼器是當今步進電機的發展趨勢。而如果你還要實現閉環控制的話，就像必須有一個編碼器或是傳感器來把步進電機當前的旋轉狀況告訴控制器，好讓控制器做出相應的調整(加速或減速)。這就是目前的技術狀態。