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1、步进的工作原理
图1 三应式步进电动机的结构示意图
1——定子 2——转子 3——定子绕组{{分页}}
图1是常见的三应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。各磁极上套有线圈，按图1连成a、b、c三相绕组。转子上均布40个小齿。每个齿的齿距为θe=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以a相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么b相和c相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。b、c极下的磁阻比a磁极下的磁阻大。若给b相通电，b相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越b相磁极，并力图按磁阻小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到b磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时a、c磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对b相绕组通电，而改为c相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。依次类推，当三相绕组按a→b→c→a顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按a→c→b→a顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θb为30º。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ab→bc→ca→ab顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按a→ab→b→bc→c→ca→a顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算：
θb=360º/ner(1)
式中 er——转子齿数；
n——运行拍数，n=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。
2、步进电动机的驱动方法
步进电动机不能直接接到工频交流或直流上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。
图2 步进电动机驱动控制器
1. 单电压功率驱动接口
实用电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，rs是不可缺少的。rs对步进电动机单步响应的改善如图3(b)。{{分页}}
图3 单电压功率驱动接口及单步响应曲线
图4 双电压功率驱动接口
2.双电压功率驱动接口
双电压驱动的功率接口如图4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压ul驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压uh驱动。这种功率接口需要两个控制信号，uh为高压有效控制信号，u为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管th和dl构成电源转换电路。当uh低电平，th关断，dl正偏置，低电压ul对绕组供电。uh高电平，th导通，dl反偏，高电压uh对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。
3.高低压功率驱动接口
图5 高低压功率驱动接口
高低压功率驱动接口如图5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压uh供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压ul来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，不必再串联电阻rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号uh和ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图5所示。图中，高压管vth的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取1~3ms。（当这个数值与电机的时间常数相当时比较合适）。{{分页}}
4.斩波恒流功率驱动接口
恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中r是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，vt1和vt2受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，vt2被封锁，电源u被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管vd续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，vt2导通，电源接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图6所示。
图6 斩波恒流功率驱动接口
斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。
5.升频升压功率驱动接口
为了提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。
6.集成功率驱动接口
目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。
l298芯片是一种h桥式驱动器，它设计成接受标准ttl逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。h桥可承受46v电压，相电流高达2.5a。l298(或xq298，sgs298)的逻辑电路使用5v电源，功放级使用5~46v电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。l298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图7所示。h桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。l298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。{{分页}}
图7 l298原理框图
与l298类似的电路还有ter公司的3717，它是单h桥电路。sgs公司的sg3635则是单桥臂电路，ir公司的ir2130则是三相桥电路，allegro公司则有a2916、a3953等小功率驱动模块。
图8是使用l297(环形分配器专用芯片)和l298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。
图8 专用芯片构成的步进电动驱动系统
增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出a、b两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。还有用作参考零位的z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图1-1所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有a、b两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1-2所示。增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的位置信息。
图 1-2 增量式光电编码器的输出信号波形
基本技术规格
在增量式光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其中关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出形式。
（1）分辨率
光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（ppr）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在500~6000ppr的增量式光电编码器，高可以达到几万ppr。交流控制系统中通常选用分辨率为2500ppr的编码器。对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2 倍频或4 倍频的脉冲信号，从而提高分辨率。
（2）精度
增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。
（3）输出信号的稳定性
编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。
（4）响应频率
编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当编码器高速旋转时，如果其分辨率很高，那么编码器输出的信号频率将会很高。如果光电检测器件和电子线路的工作速度与之不能相适应，就有可能使输出波形严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。这样输出信号就不能准确反映轴的位置信息。每一种编码器在其分辨率一定的情况下，它的高转速也是一定的，即它的响应频率是受限制的。编码器的大响应频率、分辨率和高转速之间的关系如公式（1-1）所示。
（5）信号输出形式
在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。增量式光电编码器的信号输出形式有：集电极开路输出（opencollector）、电压输出（voltage output）、线驱动输出（linedriver）、互补型输出（complemental output）和推挽式输出（totem pole）。
集电极开路输出这种输出方式通过使用编码器输出侧的npn 晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0v，断开集电极与+vcc的端子并把集电极作为输出端。在编码器供电电压和信号接受装置的电压不一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-3所示。主要应用领域有、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图 1-3 集电极开路输出电路
电压输出 这种输出方式通过使用编码器输出侧的 npn 晶体管，将晶体管的发射极引出端子连接至0v，集电极端子与+vcc和负载电阻相连，并作为输出端。在编码器供电电压和信号接受装置的电压一致的情况下，建议使用这种类型的输出电路。输出电路如图1-4所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图 1-4 电压输出电路
线驱动输出这种输出方式将线驱动专用ic芯片（26ls31）用于编码器输出电路，由于它具有高速响应和良好的抗噪声性能，使得线驱动输出适宜长距离传输。输出电路如图1-5所示。主要应用领域有伺服电机、机器人、数控加工机械等。
图 1-5 线驱动输出电路
互补型输出这种输出方式由上下两个分别为pnp 型和npn型的组成，当其中一个三极管导通时，一个三极管则关断。这种输出形式具有高输入阻抗和低输出阻抗，在低阻抗情况下它也可以提供大范围的电源。由于输入、输出信号相位相同且频率范围宽，它适合长距离传输。输出电路如图1-6所示。主要应用于电梯领域或专用领域。
图 1-6 互补型输出电路
推挽式输出这种输出方式由上下两个 npn型的三极管组成，当其中一个三极管导通时，一个三极管则关断。电流通过输出侧的两个晶体管向两个方向流入，并始终输出电流。它阻抗低，不太受噪声和变形波的影响。输出电路如图1-7所示。主要应用领域有电梯、纺织机械、注油机、自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。
图 1-7 推挽式输出电路