认知数控机床常见的步进电动机，掌握其分类及其结构特点，能够掌握其工作原理。

步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电动机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电动机是一种感应电动机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电动机供电，步进电动机才能正常工作，驱动器就是为步进电动机分时供电的多相时序控制器。

虽然步进电动机已被广泛应用，但它并不能像普通的直流电动机、交流电动机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电动机绝非易事，它涉及机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

一、工作原理

通常电动机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度时，转子也随着该磁场旋转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机便转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电动机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电动机的转动。

二、发热原理

通常见到的各类电动机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损。如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗。铁芯有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料、电流、频率、电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电动机的效率。步进电动机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电动机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电动机严重。

三、分类

步进电动机从其结构形式上可分为反应式步进电动机（Variable Reluctance，VR）、永磁式步进电动机（Permanent Magnet，PM）、混合式步进电动机（Hybrid Stepping，HS）、单相步进电动机、平面步进电动机等多种类型，在我国所采用的步进电动机中以反应式步进电动机为主。步进电动机的运行性能与控制方式有密切的关系，步进电动机控制系统从其控制方式来看，可以分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统三类。半闭环控制系统在实际应用中一般归类于开环或闭环系统中。

（1）反应式：定子上有绕组，转子由软磁材料组成。这种类型的电动机结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°，但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

（2）永磁式：永磁式步进电动机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电动机精度差，步距角大（一般为7.5°或15°）。

（3）混合式：混合式步进电动机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步距精度。其特点是输出力矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本相对较高。

按定子上绕组来分，步进电动机共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是二相混合式步进电动机，约占97%的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。这种电动机的基本步距角为1.8°／步；配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°；配上细分驱动器后，步距角可细分达256倍（0.007°／微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电动机可配不同细分驱动器以改变精度和效果。

四、选择方法

步进电动机由步距角（涉及相数）、静转矩及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电动机的型号便能确定下来。

1.步距角的选择

电动机的步距角取决于负载精度的要求，即将负载的最小分辨率（当量）换算到电动机轴上，每个当量电动机应走多少角度（包括减速）。电动机的步距角应等于或小于此角度。市场上步进电动机的步距角一般有0.36°／0.72°（五相电动机）、0.9°／1.8°（二、四相电动机）、1.5°／3°（三相电动机）等。

2.静力矩的选择

步进电动机的动态力矩一般很难确定，往往需要先确定电动机的静力矩。静力矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时（一般由低速）时两种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速运行则只需考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍内为好，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3.电流的选择

静力矩一样的电动机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图判断电动机的电流。

五、步进电动机指标

1.静态指标术语

（1）相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。

（2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电动机转过一个齿距角所需脉冲数。以四相电动机为例，有四相四拍运行方式即AB－BC－CDDA－AB，四相八拍运行方式即A－AB－B－BC－C－CD－D－DA－A。

（3）步距角：对应一个脉冲信号，电动机转子转过的角位移用θ表示。θ＝360°／（转子齿数×运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿的电动机为例。四拍运行时步距角θ＝360°／（50×4）＝1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角θ＝360°／（50×8）＝0.9°（俗称半步）。

（4）定位转矩：电动机在不通电状态下，电动机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

（5）静转矩：电动机在额定静态电压作用下，电动机不做旋转运动时，电动机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电动机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙、增加激磁安匝数来提高静力矩是不可取的，这样会造成电动机的发热及机械噪声。

2.动态指标术语

（1）步距角精度：步进电动机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差／步距角×100%。不同运行拍数的值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

（2）失步：电动机运转时运转的步数不等于理论上的步数的现象称为失步。

（3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电动机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

（4）最大空载启动频率：电动机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接启动的最大频率。

（5）最大空载的运行频率：电动机在某种驱动形式、电压及额定电流下，不带负载的最高转速频率。

（6）运行矩频特性：电动机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电动机诸多动态曲线中最重要的，也是电动机选择的根本依据。

（7）启动频率和启动特性：启动频率是指一定负载转矩下能够不失步地启动的脉冲最高频率，它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转动惯量的大小，以及电源条件等因素有关。它是步进电动机的一项重要技术指标。

（8）电动机的共振点：步进电动机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在180～250脉冲／s（步距角1.8°）或在400脉冲／s左右（步距角为0.9°），电动机驱动电压越高，电动机电流越大，负载越轻，电动机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。为使电动机输出转矩大，不失步和整个系统的噪声降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

（9）电动机正反转控制：当电动机绕组通电时序为AB－BC－CD－DA时为正转，通电时序为DA－CD－BC－AB时为反转。

六、步进电动机控制策略

1.PID控制

PID控制作为一种简单而实用的控制方法，在步进电动机驱动中获得了广泛的应用。它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t），将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。将集成位置传感器用于二相混合式步进电动机中，以位置检测器和矢量控制为基础，设计出了一个可自动调节的PI速度控制器，此控制器在变工况的条件下能提供令人满意的瞬态特性。根据步进电动机的数学模型，设计了步进电动机的PID控制系统，采用PID控制算法得到控制量，从而控制电动机向指定位置运动。最后，通过仿真验证了该控制具有较好的动态响应特性。采用PID控制器具有结构简单、鲁棒性强、可靠性高等优点，但是它无法有效应对系统中的不确定信息。

目前，PID控制更多的是与其他控制策略相结合，形成带有智能的新型复合控制。这种智能复合型控制具有自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数，自动整定控制参数，适应被控过程参数的变化，同时又具有常规PID控制器的特点。

2.自适应控制

自适应控制是在20世纪50年代发展起来的自动控制领域的一个分支。它是随着控制对象的复杂化，当动态特性不可知或发生不可预测的变化时，为得到高性能的控制器而产生的。其主要优点是容易实现和自适应速度快，能有效地克服电动机模型参数的缓慢变化所引起的影响，使输出信号跟踪参考信号。根据步进电动机的线性或近似线性模型推导出了全局稳定的自适应控制算法，这些控制算法都严重依赖于电动机模型参数。将闭环反馈控制与自适应控制结合来检测转子的位置和速度，通过反馈和自适应处理，按照优化的升降运行曲线，自动地发出驱动的脉冲串，提高了电动机的拖动力矩特性，同时使电动机获得更精确的位置控制和较高较平稳的转速。

目前，将自适应控制与其他控制方法相结合，以解决单纯自适应控制的不足。自适应低速伺服控制器，确保了转动脉矩的最大化补偿及伺服系统低速高精度的跟踪控制性能。实现的自适应模糊PID控制器可以根据输入误差和误差变化率的变化，通过模糊推理在线调整PID参数，实现对步进电动机的自适应控制，从而有效地提高系统的响应时间、计算精度和抗干扰性。

3.矢量控制

矢量控制是现代电动机高性能控制的理论基础，可以改善电动机的转矩控制性能。它通过磁场定向将定子电流分为励磁分量和转矩分量分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。因此，矢量控制既需要控制定子电流的幅值，又需要控制电流的相位。由于步进电动机不仅存在主电磁转矩，还有双凸结构产生的磁阻转矩，且内部磁场结构复杂，非线性较一般电动机严重得多，根据它的矢量控制推导出了二相混合式步进电动机d－q轴数学模型，以转子永磁磁链为定向坐标系，令直轴电流id＝0，电动机电磁转矩与iq成正比，用PC实现了矢量控制系统。系统中使用传感器检测电动机的绕组电流和转子位置，用PWM方式控制电动机绕组电流。基于磁网络的二相混合式步进电动机模型，给出了其矢量控制位置伺服系统的结构，采用神经网络模型参考自适应控制策略对系统中的不确定因素进行实时补偿，通过最大转矩／电流矢量控制实现电动机的高效控制。

4.智能控制的应用

智能控制不依赖或不完全依赖控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制，在控制中有能力考虑系统的不确定性和精确性，突破了传统控制必须基于数学模型的框架。目前，智能控制在步进电动机系统中应用较为成熟的是模糊控制、神经网络控制等。

1）模糊控制

模糊控制就是在被控制对象的模糊模型的基础上，运用模糊控制器的近似推理等手段，实现系统控制的方法。作为一种直接模拟人类思维结果的控制方式，模糊控制已广泛应用于工业控制领域。与常规控制相比，模糊控制无须精确的数学模型，具有较强的自适应性，因此适用于非线性、时变、时滞系统的控制。

2）神经网络控制

神经网络是利用大量的神经元按一定的拓扑结构学习调整的方法。它可以充分逼近任意复杂的非线性系统，能够学习和自适应未知或不确定的系统，具有很强的鲁棒性和容错性，因而在步进电动机系统中得到了广泛的应用。将神经网络用于实现步进电动机最佳细分电流，在学习中使用Bayes正则化算法，使用权值调整技术避免多层前向神经网络陷入局部极小点，有效解决了等步距角细分问题。

七、驱动要求

1.能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形

具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。

2.具有较高的功率及效率

步进电动机驱动器，是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移，或者控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电动机旋转一个步距角。也就是说，步进电动机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电动机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电动机精确定位。步进电动机驱动器有很多，应以实际的功率要求对其进行合理的选择。

认识MS3540M－293步进驱动器

该驱动器是一款标准脉冲／方向控制的双极性细分步进电动机驱动器，具有抗干扰能力强、稳定性好、成本低等优点（图1－2－1）。

图1－2－1 MS3540M－293步进驱动器结构

一、电气指标

MS3540M－293步进驱动器电气指标如表1－2－1所示。

表1－2－1 MS3540M－293步进驱动器电气指标

二、环境指标

MS3540M－293步进驱动器环境指标如表1－2－2所示。

表1－2－2 MS3540M－293步进驱动器环境指标

三、接口与接线

1.需要做的准备（参照图1－2－2的接口关系）

图1－2－2 产品接口

（1）12～42 V直流电源。

（2）步进脉冲信号源。

（3）如果要电动机双向运转，需要提供转向控制信号。

（4）匹配的步进电动机。

2.电源连接

如果电源的输出端没有熔断丝或一些别的限制短路电流的装置，可在电源和驱动器之间放置一个4 A的快断熔断丝以保护驱动器和电源。将该熔断丝安装在电源的正极和驱动器的＋V级之间。将电源的正极连接到驱动器的“＋V”端，将电源负极连接到驱动器的“－V”端。注意：请勿将电源的正负极性接反，如图1－2－3所示。

图1－2－3 电源的连接

3.电动机连接

警告：将电动机接到驱动器时，请先确认供电电源已关闭。确认未使用的电动机引线未与其他物体发生短路。在驱动器通电期间，不能断开电动机。不要将电动机引线接到地上或电源上。

（1）8线电动机也有两种连接方式：串联和并联。用串联模式可以得到比较好的低速性能，但此时，电动机应以比额定电流小30%的电流工作，以防过热。用并联模式可以得到较好的高速性能，适合高速应用场合。具体接法如图1－2－4所示。

图1－2－4 电动机的连接

（a）8线串联连接；（b）8线并联连接

（2）电动机运行的相序图如图1－2－5所示。

图1－2－5 相序图（半步）

4.输入接口连接

光电隔离电路防止外部电路和驱动器间相互干扰，步进、方向、使能信号为差分输入，使用5 V逻辑电压。内部自带440Ω电阻；信号输入电路的原理如图1－2－6～图1－2－9所示。(www.daowen.com)

图1－2－6 驱动输入电路

图1－2－7 共阳极接法

图1－2－8 共阴极接法

图1－2－9 差分接法

（1）步进信号（STEP）：告诉驱动器何时使电动机转动一步。电动机在STEP－输入信号的上升沿（或STEP＋输入信号的下降沿）转动一步。步进脉冲最小宽度为0.5μs。

（2）方向信号（DIR）：决定电动机转动的方向。转向信号最小宽度为2μs。

（3）使能信号（ENA）：使得用户在ENA＋和ENA－之间加正电压时，能够关断流向电动机的电流。如果没有必要停止功率放大器工作，ENA输入引脚就可以悬空。

5.使用非5 V TTL的逻辑电压

有些步进和方向信号，特别是PLC，通常不使用5 V电平。如果在输入信号（STEP，DIR，ENA）前串联一个限流电阻，就可将它们接至24 V电平。推荐的连线图如图1－2－10及图1－2－11所示。

图1－2－10 接信号发生器

图1－2－11 与PLC的连接示意

（1）接12 V逻辑信号源时，推荐限流电阻为820Ω，1／4 W。

（2）接24 V逻辑信号源时，推荐限流电阻为2 200Ω，1／4W。

6.电流设定

使用驱动器前，请设置适当的电动机相电流，以免电流过大引起电动机过热。在电动机的标签上通常印有额定电流。设置MS3540M驱动器电流时只需要掌握简单的设置规则，而不需要电流表，找到想设定的电流并根据图表设置DIP开关即可。

7.电流设置规则

找到位于电动机连接端子边上的微型开关。电流值印在5个开关边上，如0.4和0.8。每个开关控制的电流数值，以安培（A）为单位，按标记所示。基本电流是0.4 A，如要增加，将开关滑向PCB板标记侧。如果设定驱动器每相电流为2.2 A，以0.4 A为基数再加上1.6 A和0.2 A。

如图1－2－12所示，设定电流的计算为：2.2＝1.6＋0.2＋0.4（A）。

图1－2－12 电流设定范例

电流设定图如图1－2－13所示。

图1－2－13 电流设定图

8.自动减流（半电流）设定

驱动器具有在电动机不运转时自动减少电动机电流50%的功能，这样可以在电动机静态时降低驱动器50%和电动机75%的热量。如果需要，可以关闭该功能，持续全电流运行，这适用于需要大的保持力矩的场合。为了使电动机和驱动器的发热量最小，强烈建议用户采用自动减流功能，除非应用场合绝对不允许。将＃4开关拨向标记50%IDLE，减流功能开启；拨离标记50%IDLE，则关闭，如图1－2－14所示。

图1－2－14 自动减流设定

（a）闲置电流减少选择；（b）闲置电流不减少

9.细分设定

大多数精密控制场合使用步进电动机细分设定，步进电动机的细分减小了每步所走过的步距角，提高了控制精度，减少了步进电动机的低频振荡，减少了转矩脉动，提高了输出转矩。

大多数步进电动机驱动器可选择整步或半步方式。整步模式电动机的两相都是持续工作的。半步驱动通过两相同时导通或单相导通，将每步分成两小步。细分运行方式可以精确地控制每相的电流值，用电子方式将每步细分成更多的步数。

MS3540M可选择半步和其他三种细分，其最大设定可将一整步细分为50微步，采用1.8°电动机时每圈10 000步。除了提供精确的定位和平稳的转动，MS3540M细分驱动器还可用于运动在不同的单位之间转换。当驱动器设定为2 000步／转，并配以螺距为5的丝杆时，可得到0.000 1 in／步。细分方式选择方法如图1－2－15所示。

图1－2－15 细分方式选择方法

2号开关的一边标记了1／2、1／10，另一边标记了1／5、1／50，3号开关一边标记了1／5、1／2，另一边标记了1／10、1／50。当要选择某种细分模式时，将两个开关都拨向该细分模式标签所在的方位。例如，当要选择10细分时，将2号开关拨向1／10标签的方位（朝左），将3号开关也拨向1／10标签的方位（朝右）。

10.自测模式设定

MS3540M具有自测功能，这对故障定位是很有用的。如果用户不能确定是电动机的问题、驱动器信号连接的问题还是MS3540M对步进脉冲不响应的问题，则可以进行自测。1号开关拨向标志TEST激活自测，驱动器会慢速旋转电动机，正向旋转半圈，然后反向旋转半圈，一直重复到开关拨离标志TEST。无论开关2或3状态如何，在自测期间均采用半步模式。自测不受步进和转向信号影响，使能输入信号功能正常，如图1－2－16所示。

图1－2－16 自动测试设定

（a）自测试开；（b）自测试关

注：电动机正常使用期间，不要将自测功能打开，以免产生电动机不能正常工作的误会。

根据任务完成过程中的表现，填写表1－2－3。

表1－2－3 任务评价

DM 856数字式两相步进驱动器接口和接线介绍

1.接口描述

（1）控制信号接口（表1－2－4）。

表1－2－4 控制信号接口

（2）强电接口（表1－2－5）。

表1－2－5 强电接口

（3）RS232通信接口。

可以通过专用串口电缆连接PC或STU调试器，禁止带电插拔。通过STU或PC软件ProTuner可以进行客户所需要的细分和电流值、有效沿和单双脉冲等设置，还可以进行共振点的消除调节。RS232接口引脚排列如图1－2－17所示，具体定义如表1－2－6所示。

图1－2－17 RS232接口引脚排列示意

表1－2－6 RS232接口引脚排列

（4）状态指示。

绿色LED为电源指示灯，当驱动器接通电源时，该LED常亮；当驱动器切断电源时，该LED熄灭。红色LED为故障指示灯，当出现故障时，该指示灯以3 s为周期循环闪烁；当故障被用户清除时，红色LED常灭。红色LED在3 s内闪烁次数代表不同的故障信息，具体关系如表1－2－7所示。

表1－2－7 LED与报警的关系

2.控制信号接口电路

DM856驱动器采用差分式接口电路可适用差分信号、单端共阴及共阳等接口，内置高速光电耦合器，允许接收长线驱动器、集电极开路和PNP输出电路的信号。在环境恶劣的场合，我们推荐用长线驱动器电路，因为其抗干扰能力强。现在以集电极开路和PNP输出为例，接口电路示意如图1－2－18所示。

图1－2－18 输入接口电路

（a）共阳极接法；（b）共阴极接法

注意：VCC值为5 V时，R短接；VCC值为12 V时，R为1 kΩ，大于1／8W电阻；VCC值为24 V时，R为2 kΩ，大于1／8W电阻；若是与西门子PLC连接，则其连接如图1－2－19所示。

图1－2－19 西门子PLC与驱动器共阳极连接

3.控制信号时序图

为了避免一些误动作和偏差，PUL、DIR和ENA应满足一定要求，其控制信号时序如图1－2－20所示。

图1－2－20 控制信号时序图

注释：

（1）t1：ENA（使能信号）应提前DIR至少5μs，确定为高。一般情况下建议ENA＋和ENA－悬空即可。

（2）t2：DIR至少提前PUL下降沿5μs确定其状态高或低。

（3）t3：脉冲宽度至少不小于2.5μs。

（4）t4：低电平宽度不小于2.5μs。

4.控制信号模式设置

脉冲触发沿和单双脉冲选择：通过PC软件ProTuner或STU调试器设置脉冲上升沿或下降沿触发有效；还可以设置单脉冲模式或双脉冲模式。用双脉冲模式时，方向控制端的信号必须保持在高电平或悬空。

5.接线要求

（1）为了防止驱动器受干扰，建议控制信号采用屏蔽电缆线，并且屏蔽层与地线短接，除特殊要求外，控制信号电缆的屏蔽线单端接地：屏蔽线的上位机一端接地，屏蔽线的驱动器一端悬空。同一机器内只允许在同一点接地，如果不是真实接地线，可能干扰严重，此时屏蔽层不接地线。

（2）脉冲和方向信号线与电动机线不允许并排包扎在一起，最好分开至少10 cm以上，否则电动机噪声容易干扰脉冲方向信号，引起电动机定位不准、系统不稳定等故障。

（3）如果一个电源供多台驱动器，则应在电源处采取并联连接，不允许先到一台，再到另一台链状式连接。

（4）严禁带电拔插驱动器强电P2端子，带电的电动机停止时仍有大电流流过线圈，拔插P2端子将导致巨大的瞬间感生电动势，从而烧坏驱动器。

（5）严禁将导线头加锡后接入接线端子，否则可能因接触电阻变大而过热，损坏端子。

（6）接线线头不能裸露在端子外，以防意外短路而损坏驱动器。