步进电机简介

步进电机定义

步进电机又称脉冲电机，它是一种将数字脉冲信号转换成具有角位移或者线位移特征的模拟信号的电磁装置，步进电机是开环驱动机构中一个关键元件。

步进电机的工作原理

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，他就驱动步进电机按照设定的方向转一个固定的角度（称为步距角），电机的旋转是按照步距角一步一步运行的。可以通过控制脉冲数量来精确控制轴的角位移，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲的频率来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机类型

 A,反应式步进电机（VR）,一般为三相，步距角1.2度，大转矩输出，噪音大振动大，定子上有励磁绕组，利用磁导变化产生力矩

B,永磁式步进电机（PM），一般两相，体积小，转矩小，步距角7.5度或者15度。

C,混合式步进电机(HS)，混合了反应式和永磁式的优点，混合式应用广泛，不同相有不同的步距角，也可通过驱动细分步距角，达到更平稳更静音的运行状态。混合式步进电机两相的步距角为1.8度，三相步进电机的步距角1.2度，五相步进电机的步距角是0.72度，电机标定的固有步距角不一定是实际运行的步距角，可能跟细分驱动器相关。

 步进电机的参数学习

1）相电流，电机的静态电参数，指电机绕组的额定电流，是影响电机力矩的重要参数，一般电机的相电流与电机的输出力矩成正比。

2）保持力矩（HOLDING TORQUE）,是指步进电机通电，但没有转动，定子锁住转子的力矩，他是步进电机选型最重要的参数之一，通常步进电机低速时的力矩接近保持力矩。步进电机的输出力矩随着电机转速的增大而衰减，输出功率也随着转速的增大而变化。

3）定位转矩，步进电机在没有通电的情况下，定子锁住转子的转矩。

4）相电感，电机的静态电参数，指电机内部绕组线圈的电感量，是影响电机矩频特性的重要参数。一般情况下，电机输出力矩的衰减与相电感成反比（也就是相电感越大，力矩衰减越小。相电感越小，力矩衰减越大）

5）相电阻，电机的静态电参数，指电机内部绕组线圈的电阻值，是影响电机运行时发热量的重要参数，与其成正比。

6）绝缘等级，是指电机所用的绝缘材料的耐热等级，A级（最高温度/参考温度）（105/80度），E级（120/95度）,B级（130/100度），F级（155/120度），H级（180/145度）

 步进电机的优点

1）步进电机输出的角位移或者线位移与输入脉冲数成正比，即每输入一个脉冲，经分配装置使电机转子相应转动一步（步距角），且在时间上与输入脉冲同步。通过输入的脉冲数量，确定转动轴的角位移，实现精确的位置控制。

2）电机转速与输入脉冲频率成正比，便于精确地速度控制和调节。

3）能快速的启动，制动和反转（改变脉冲的方向）。

4）转子的转动惯量小，启动，停止的时间短。

5）每一步的误差精度在3%-5%，且不累计误差，定位精度高。

6）步进电机力矩会随着速度的增加而下降。当步进电机转动时，各绕组的电感会形成一个反向电动势，频率越高（速度越高），反向电动势越大，从而导致绕组的相电流减小，导致力矩随着频率/速度的增加而减小。

7）步进电机基本的运行速度一般在100-600rpm，速度高于一定的限值，会导致电机无法启动，并产生啸叫声,步进电机有个参数叫空载启动频率，脉冲频率如果高于该频率，电机不能正常启动。在有负载的情况下，启动频率要更低，在达到高速转动，步进电机需要进一步加速（脉冲频率要有个加速过程）

8）步进电机必须要有驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号。

9）步进电机无电刷设计，寿命基本取决于轴承的寿命。

步进电机的缺点

1）控制精度不高，在开环控制中，容易发生丢步。

2）低速应用有噪音和振动，步进电机的工作原理决定了其不连续运动的特征，低速下振动和噪音较大，这个特点比较明显，而且电机越大，这个缺陷越明显。

3）步进电机不具有过载能力，超过负载容易发生过堵转或者失步。

4）力矩小，难以获得较大的转矩

5）功耗大，效率低

步进电机的功率驱动

步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需要的具有一定功率的电流脉冲信号。

驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成，其中环形分配器用于控制步进电机的通电方式，其作用是将数控装置送来的系列指令脉冲，按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各项的通电、断电。（环形分配器的功能可由硬件或者如软件产生）

 开环控制步进伺服电机系统的工作原理

1)  工作台位移量控制

数控装置发出的N个脉冲，经过驱动线路放大后，使步进电机的定子绕组通电状态变化N次，如果一个步进脉冲使得步进电机转过的角度为α，那么步进电机转过的角位移量     Φ=αN,再经过减速机，丝杠，螺母后转变为线性位移量为L，也就是进给的脉冲数N决定了工作台的线性位移量L(正比）、

2）工作台进给速度的控制

数控装置发出的进给脉冲频率为f，经过驱动控制线路，表现为控制步进电机定子绕组的通电，断电状态的电流脉冲信号的变化频率，定子绕组的通电变化频率决定了步进电机的转速，该转速经过齿轮箱，丝杠，螺母之后，体现为工作台的给进速度V,也就是脉冲的频率决定了工作台的给进速度V

3）工作台运动方向的控制

改变步进电机输入脉冲的循环顺序方向，进而改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台的给进方向发生改变，

 步进电机驱动器工作原理

步进电机必须要有驱动器才能工作，驱动器的作用是对控制器的发出的输入脉冲进行环形分配和功率放大，使步进电机定子绕组按照一定的顺序通电。

随着电子技术的发展，驱动器的功率放大器电路由单电压电路，高低压电路发展到现在的斩波电路。

 斩波电路的基本原理

在电机的绕组回路中，串联一个电路检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号，控制高压开关导通，让高压再次作用到绕组上，使绕组电流重新上升，当电流回升到某一上限值时，电流检测回路发出信号，高压通路自动断开，重复上述过程。使绕组电流的平均值恒定，电流波形的波顶维持在预定数值上，解决了高低压电路在低频段工作时电流下凹的问题，使得电机在低频段的力矩增大。步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机的性能影响较大，电压越高，步进电机的转速越高，加速度越大，在驱动器上一般设有相电流的调节开关，相电流越大，步进电机的转速越高，力矩越大。

 步进驱动器细分控制原理

在步进电机的步距角不能满足使用要求时，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动的原理是改变A,B绕组线圈相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而将一个步距角细分成多步。

驱动器一般都具有能细分功能，常见的细分倍数1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64

细分后的步距角=原来的步距角/细分数。比如1.8度的步距角细分4后的步距角为1.8/4=0.45度。电机精度是否能达到或者接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其他因素，不同厂家细分驱动器电流控制精度可能差别很大，细分数越大，精度越难控制。

 关于细分的说明

1）电机细分技术实际上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或者消除步进电机低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术一个附带的功能，

2）当细分等级大于1/4后，电机的定位精度并不能提高，只能使电机的运行更为平稳，改善电机的运行性能。验证发现8细分和16细分以上，不会有效果上的差别。

3）步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的相电流为3A。

a）如果使用常规的驱动器（恒流斩波的方式），电机每运行一步，其绕组内的电流从0A突变成3A,再从3A突变到0，这种相电流的突变式跳跃，必然会引起电机运行的振动和噪音。

b）使用细分驱动器，在10细分的情况下驱动该电机，电机每运行一微步，电流从0变成0.3A,且电流是以正弦曲线规律变化。这样就大大改善了电机的振动和噪音。

4）细分的实现过程，是插入电流合成向量和转换电流合成向量的过程。

5）细分的角度虽然能定位，但其精度不高，因此定位控制时，用细分的2相或者1相导通方式来定位

 整步AB相电流示意图如下

半步AB相电流示意图

4细分驱动AB相电流示意图

步进电机选型要关注的参数

1）保持力矩（也称静力矩），电机绕组在通额定电流时，定子对转子锁定需要的力矩，这个参数也反映了电机的能力，近似于传统电机所指的功率。保持力矩越大，表明电机负载能力越强。此力矩也是恒量电机的体积（几何大小）的标准，也就是可大体确定电机的基座大小。

2）驱动方式，对于电机性能而言，除了受本体结构的影响外，驱动方式的不同，对于电机性能很大产生影响。

常规的驱动方式分为：

a）恒压驱动，驱动电压12V或者24V，电机的电阻值一定要匹配，一般几十欧姆（阻值较大），要不然电流太大，容易烧掉驱动芯片。这种驱动方式基本已经淘汰了

b）恒流驱动，一般针对电阻值较小的电机，这样电机电流值稍微大点，可以1A-3A,电流再大的话，可能需要一个更贵的驱动器芯片

c）单极性驱动，电路功率管用4个，线圈电流再线圈里按照单一方向流动，

d）双极性驱动。电路功率管用8个，正反向电流再线圈里正反交替流过，交替导通。

一般而言，低速大转矩一般采用双极性驱动，高速驱动用单极性驱动。

 3）驱动电压，指驱动器的输入电压，这个与驱动器的使用环境有关，可以选直流12V,24V,48V,也可以选交流24V,36V,50V,60V,110V,220V.电压选择对电机的性能影响是，电压越高，步进电机性能越好，特别是电机的高速性能越好。一般而言，混合式步进电机驱动器供电电压是一个比较宽的范围，如果电机转速快响应快，那电压值也取高，如果是低频低速运转，那电压值也选偏低，但是注意电源电压的纹波不能超高驱动器的最高输入电压。

4）驱动电流，也称相电流，指步进电机单相绕组两端的电流，驱动电流是一个参考值，通常是根据大部分工况下电机可以承受的温升决定的，实际运行电流可以大于或者小于驱动电流，

有些电机有相同的大小尺寸和保持力矩，但是电机的参数却不同，他们电流值和电阻值有多种不同的选择，这些不同电流的电机，是为了匹配客户不同功能不同成本的驱动器：比如电流小的，肯定驱动器的元件成本较低，电流大的，驱动器各个元器件的成本要高些

5）矩频特性，电机在某种测试条件下测得的运行中的输出力矩与频率之间的关系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。

电机一旦选定，电机静力矩就确定了，但是电机的动态力矩却不然，电机动态力矩取决于电机运行的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，输出力矩越大，即电机的频率特性越硬，电机的输出力矩，与速度成反比。即电机在低速运转时输出力矩较大，而高速比如超1000rpm转矩输出就很小，如果工况应用的确需要高速电机，就要对电机的驱动电压，绕组线圈的电感，电阻进行恒量，采用小电感大电流的电机，这样高速下也能获得大力矩输出。

6）相数，电机相数即是电机线圈组数，比如2相电机对应2组线圈绕组，5相代表5组线圈，不同相数的电机，对应不同的步距角，比如两相电机步距角一般为0.9度或者1.8度，三相电机步距角1.2度，五相电机步距角0.72度，步距角越小，电机运行越平稳。目前市场步进单机2相电机居多。

7）空载启动频率，是选购电机一个比较重要的指标，如果要求瞬间频繁启动，停止，转速1000rpm，通常需要加速启动，对于反应式或者永磁式步进电机，他们本身的空启频率都很高，可以直接启动达到高转速。而混合式步进电机，空启频率都比较低，基本没提供这个参数。

 步进电机如何选择匹配的驱动器？

首先驱动器的电流大于电机的电流，其次根据客户的上位机通讯协议选相匹配的驱动器协议。