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4.2.2 步进电机的静态指标术语
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相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。
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，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角，对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为??360?(50?4)?1.8?（俗称整步），八拍运行时步距角为??360?(50?8)?0.9?（俗称半步）。
定位转矩：电机在不通电状态下，电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）。
静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）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，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝数来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 4.2.3 步进电机动态指标及术语
步距角精度：步进电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/步距角乘100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。
失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电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。
最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
运行矩频特性：电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，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
电机的共振点: 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振
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区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
电机正反转控制:通过改变绕组的通电时序即可改变电机的正反转。 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
4.2.4 步进电机驱动控制系统组成理论简介
步进电机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电极组成。步进控制器是由缓冲器、环形分配器、控制逻辑及正反向控制。功率放大器的作用是把控制输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。其控制系统如图7：
方向控制
功率 放大器 步进控制器 步进 电机
负载 脉 冲 图7 步进电机控制系统
(1) 脉冲信号的产生
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
在步进电机控制软件中要解决的一个重要问题，就是产生一个如下图所示的周期性脉冲序列。从图8中可以看出，脉冲是用周期、脉冲高度、接通与断开电源的时间来表示的。脉冲高度是由使用的数字元件电平来决定的，如一般TTL电平为0-5V，COMS电平为0-10V等。在常用的接口电路中，多为0-5V。接通和断开时间可用延时的办法来控制。例如，当步进电机相应的数字线送高电平（表示接通）时,步进电机便开始步进。
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但由于步进电机的“步进”是需要一定的时间的，所以在送一高脉冲后需延长一段时间，以使步进电机达到指定的位置。由此可见，用计算机控制步进电机实际上是由计算机产生一系列脉冲波。
用软件实现脉冲波的方法是先输出一高电平，然后再利用软件延时一段时间，而后输出低电平延时。延时时间的长短由步进电机的工作频率来决定。
以上为步进电机正转时的控制顺序及控制模型，如果按上述逆顺序进行控制，则步进电机将向相反方向转动。由此可知，所谓步进电机的方向控制，实际上就是按照某一控制方式（根据需要进行选定）所规定的顺序发送脉冲序列，即可达到控制步进电机方向的目的。
脉
冲高度
通电时间 断电时间 周 期 t
图8 脉冲输出
(2) 功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大
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则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。驱动电源如图9：
图9 步进电机驱动电源
(3) 细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。细分驱动的原理如图10：
图10 细分驱动器的原理
4.3 控制系统设计
4.3.1 工控机的简介
(1) 工控机定义
工控机即工业控制计算机，但现在，更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称IPC，全称Industrial Personal Computer。
(2) 工控机的特点
工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的
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震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点： 1) 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。 2) 机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。 3) 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。 4) 要求具有连续长时间工作能力。
注：除了以上的特点外，其余基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。
(3) 工控机的应用领域
自1984年国内开始从事开发和推广应用工控机以来，已被广泛地应用于钢铁冶金、石油化工、机电成套设备、医药食品、数控机床、工业炉窑等工业领域、以及军工和科研设备中。
另外，IPC的技术特点是：采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力；采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力；机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘；配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护； 电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入； 具有自诊断功能； 可视需要选配I/O模板；设有“看门狗”定时器，可以用来检测系统出错并自动恢复运行；开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件；可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行；可采用无源母板（底板），方便系统升级。
IPC的主要结构： (1) 全钢机箱
IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，内部可安装同PC-bus兼容的无源底板。
(2) 无源底板
无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，ISA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。