详解步进电机的工作原理和操作模式
步进电机是将电脉冲信号，转变为角位移或线位移的开环控制电机，又称为脉冲电机。在非超载的情况下，电机的转速、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，它就可以驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”。
步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，能够最终靠控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以经过控制脉冲频率，来控制电机转动的速度和加速度，进而达到调速的目的。步进电机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装。
步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制管理系统，如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制管理系统，那么它就属于伺服电机。相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求比较高的场合。
步进电机的优点和缺点都非常的突出，优点集中于控制简单、精度高，缺点是噪声、震动和效率，它没有累积误差，结构相对比较简单，使用维修方便，制造成本低。步进电机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方，缺点是效率较低、发热大，有时会“失步”。优缺点如下所示。
在相同电流且相同转矩输出的条件下，单极型步进电机比双极型步进电机多一倍的线圈，成本更高，控制电路的结构也不一样，目前市场上流行的大多是双极型步进电机。
步进电机在构造上通常主要按照转子特点和定子绕组进行分类，下面将详细的介绍这两种类型的分类。
按照转子分类，有三种主要类型：反应式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）。
定子上有绕组，绕组由软磁材料组成。其结构相对比较简单、成本低、步距角小，可达1.2度，但动态性能差，效率低、发热大，可靠性难以保证。
永磁式步进电机的转子用永磁材料制造成，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，但这种电机度差，步距角大（一般为7.5度或15度）。
混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有很多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子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，但结构较为复杂、成本相对较高。
步进电机按照定子上绕组来分类，共有二相、三相和五相等系列。目前最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场占有率，其原因是性能好价格低，配上细分驱动器后效果良好。
该种电机的基本步距角为1.8度/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9度，配上细分驱动器后。其步距角可细分达256倍（0.007度/微步）。由于摩檫力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度的效果。
步进电机是通过脉冲信号来来控制，每输入一个脉冲信号，步进电机前进一步。步进电机旋转的步距角，是在电机结构的基础上等比例控制产生的，如果控制电路的细分控制不变，那么步进旋转的步距角在理论上是一个固定的角度。在实际在做的工作中，电机旋转的步距角会有微小的差别，主要是由于电机结构上的固定有误差产生的，而且这种误差不会积累。
步进电机的总极数越大，加工精度的要求就会越高。通常工业用混合型步进电机的步距角是1.8度，就是200极。
步进电机的相电流及磁场，遵循安培右手螺旋定律，由电能产生磁场能量，控制电机相电流，就能使电机定子的磁极方向发生反转，二相磁场的变化相配合，进而产生电机的旋转。
如果电流方向发生明显的变化，磁极的方向也会发生明显的变化，步进电机的电流流过定子产生磁场的过程叫做励磁。
通常所说的二相步进电机，电机转子的旋转，包含不同磁极的磁场相斥和相吸实现的。如上图所示，A相产生N极磁场吸引转子的S极，B相产生S极磁场吸引转子的N极，使定子产生旋转的动力。如果改变A、B相定子线圈的电流方向，电机会产生另一步的旋转。连续改变A、B相定子线圈的电流方向，电机会产生连续的旋转。
如上图所示，电机的运动是通过改变电流在电机中的流动来实现的，电子转子排斥B相磁极的定子，吸引A相磁极的定子，这就产生了另一个步进操作。
执行另一个步进操作，电机定子磁极反转，转子排斥B相磁极的定子，吸引A相磁极的定子，如上图所示。
如上图所示，定子线圈中的电流方向无论何时发生明显的变化，磁极将会反转，转子重复步进操作。东芝步进电机驱动控制电路对电机的磁场励磁的控制，是通过脉宽调制方式实现的，可以在一定程度上完成电机高效、稳定的运行。
步进电机的基本操作模式称为“励磁模式”，能够使步进电机工作在全步模式、半步模式和微步模式，其中微步模式可以有明显效果地的降低步进电机相电流的噪声，能够改善步进电机固有的噪声震动问题。下面将介绍3种励磁模式。
所谓全步模式，就是依据电机固有结构设计固定的步距角工作，一个电脉冲，步进电机前进一个步距角。这个步距角使电机设计结构所决定的，也能够理解为电机以最大的步距角旋转。
半步模式是以电机固有的结构决定的步距角的一半角度进行步进旋转。如下图所示，步进电机的总极数是4级，对应的步距角是90度，那么半步模式下，步进电机每个脉冲旋转45度。
微步模式类似于半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的细分。对应的步进角度就是在整步步距角乘以微步系数。
步进电机的步距角越小，需要的加工精度会越高，对应的微步时的步进角度的误差会越大。
步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而一定要使用专用的步进电机驱动器，它有脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。如下图所示。
驱动单元与步进电机直接耦合，也能够理解成步进电机微机控制器的功率接口。下面将使用MCU和分离元器件的系统举例说明。MCU相当于是控制电机的大脑，它向分立器件发送电机的步距角时间、转动方向和重复次数等，而分立器件根据MCU发出的信号，将放大电压和电流并将其发送至电机，从而驱动电机转动。
如上图所示，该系统使用了MCU和电机控制驱动器IC。从输入控制信号来区分，步进电机控制器IC可大致分为相入力型和时钟入力型。相入力型是指电机的每个励磁相的电流方向由输入信号控制，而时钟入力型是指电机的驱动由脉冲信号来控制。
相入力型电机驱动器需要A和B两相的控制信号，只需要时钟信号，需要控制信号的MCU做更多的运输工作。
时钟入力型电机驱动器的控制接口，需要时钟信号（单脉冲信号）输入，其控制信号相对简单，MCU的资源占用较少。
上电复位功能将监控电机驱动器，以及电机驱动控制器的电源。为防止电机操作故障，它将强制关闭输出信号直至供电电压保持稳定。如下图所示。
过电流关断功能将监控输出单元的电流，如果电流大于规定值，将强制关闭输出，该功能的用途在于当发生短路时暂时停止IC输出。如下图所示。
热关断功能在于，当电机控制驱动器芯片温度超过规定值时关闭输出，并保持该状态直至温度下降。
伺服驱动器在控制信号的作用下驱动执行电机，因此驱动器是否能正常工作直接影响设备的整体性能。在伺服控制管理系统中，伺服驱动器相当于大脑，执行电机相当于手脚。 而伺服驱动器在伺服控制管理系统中的作用就是调节电机的转速，因此也是一个自动调速系统。 伺服驱动器工作原理图如下所示： 驱动器的核心主控板，驱动器由继电器板传递控制信号和检测信号，完成上图的双闭环控制，包括转速调节和电流调节，实现执行电机的转速控制和换相控制。 驱动器的驱动板从主控板接受信号驱动功率变换电路，实现执行电机的正常工作。 伺服驱动器内部结构 伺服驱动器内部结构由电源电路、继电器板电路、主控板电路、驱动板电路及功率变换电路组成。 电源电路作用，将外部输入
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引言： 随着汽车保有量的增长，汽车安全防盗问题愈加重要。现在大部分车都实现了防盗报警（anti thief alarm,缩写ATA）功能，主要是通过超声波检验测试的方式判断是不是真的存在非法进入【1】，然后启动声光报警。这种方式能有效检测出非法进入，但也存在误报的可能，给旁边的环境带来非常大的困扰。在笔者为某车型设计的集成式车身控制器中，通过检验测试解锁闭锁动作、点火状态、车身状态和防盗状态综合判断是否安全锁车、是否暴力进入还有是不是非法点火，以此来实现安全锁车和防盗报警功能，本文首先介绍防盗报警单元（以下简称ATA）的工作原理及其状态机的设计，然后介绍了声光警示、安全锁车的机制及其软件实现。 ATA工作原理： 一个有效的ATA单元需要正
PLC是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制很多类型的机械设备或生产的全部过程。 PLC的工作原理 PLC工作原理是：PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式来进行工作的。 PLC是一种存储程序的控制器，用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序输入到PLC(或用计算机下载到PLC)的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现。 工作方式 输入扫描：PLC在执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号读入寄存器-输入状态的输入映像寄存
、组成及功能特点 /
单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路如图10.1.4(a)所示，波形图如图10.1.4(b)所示。 图10.1.4 单相半波整流电路 (a)电路图 (b)波形图 根据图10.1.4可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为 流过负载和二极管的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压
及参数计算 /
兆欧表在工作时，自身产生高电压，而测量对象又是电气设备，所以必须正确使用，否则就会造成人身或设备事故。使用前，首先要做好以下各种准备： 1、 量前必须将被测设备电源切断，并对地短路放电，决不允许设备带电做测量，以保证人身和设备的安全。 2、 对可能感应出高压电的设备，必须消除这种可能性后，才能做测量。 3、 被测物表面要清洁，减少接触电阻，确保测量结果的正确性。 4、 测量前要检查兆欧表是否处于正常工作状态，主要检查其“0”和“∞”两点。即摇动手柄，使电机达到额定转速，兆欧表在短路时应指在“0”位置，开路时应指在“∞”位置。 5、 兆欧表使用时应放在平稳、牢固的地方，且远离大的外电流导体和外磁场。 做好上述准备工作后
气体涡轮流量计产品特点： 优质合金涡轮，具有更高的稳流和耐腐蚀作用 进口优质专用轴承，常规使用的寿命长 计量室与通气室隔绝，保证了仪表的安全性 可检测被测气体的温度、压力和流量，能进行流量自动跟踪补偿，并显示标准状态下（Pb=101.325KPa,Tb=293.15K）的气体体积累积量；可实时查询温度压力数值 流量范围宽（Qmax/Qmin 20:1)，重复性好，精度高（可达1.0级），压力损失小，始动流量低，可达0.6m3/h 智能化仪表系数多点非线性修正 内置式压力、温度传感器，安全性能高、结构紧密相连、外形好看 仪表具有防爆及防护功能，防爆标志为ExdⅡBT6、ExiaⅡCT6，防护等级为IP65 系统低功耗
电路连接（如图一）： 元器件（80c51芯片，8255A芯片，74ls373锁存芯片，l298驱动芯片，三相六线步进电机，按钮若干，电源） 图一 汇编源程序： ORG 0000H; LJMP MAIN1; ORG 0030H;（头文件） MAIN1:MOV DPTR,#0FF7FH;检测PA口状态 MOV A,#91H; MOVX @DPTR,A; MAIN:MOV DPTR,#0FF7CH; MOVX A,@DPTR; CJNE A,#0FFH,L1; LJMP MAIN; L1:CJNE A,#0FEH,LOOP2; LOOP1:MOV DPTR,#0FF7DH;控制电机正转 MOV
步进电机驱动器在断电时处于某一相位，下次上电时如果和此相位不同，电机就会“抖动”一下，为消除抖动就必须把断电时的相位记忆住。步进电机运行的时序为8个，假如停在第4步，板并断电，重新上电后，如果在4号位置上直接开始驱动第1步就会出现一个跳步。如果系统还能记得目前还处于第4步，那么就能够正确发出命令走第5步或第3步。 绝大部分步进电机驱动器没有掉电相位记忆功能，尤其是采用常见专用IC的步进驱动器，专用IC上电后复位脚的复位信号会将电机相位复位到初始值，上电的抖动应该是没办法避免的。就算是用绝对值的伺服电机它也得判断和修正一下，也可以看成是抖动。或者严格来讲，不存在上电不抖动的电机。关键是这种抖动对你的应用影响有多大，最好是记
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