1.概述^[1]

stepping motor。步进电机是一种控制电机。是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行装置。

当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就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”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，这就是步进的含义。

在不过载的情况下，步进电机的转动停止的位置只取决于受控脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。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机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机因其步进线性关系的存在以及没有积累误差（精度为100%）的特点，被广泛应用于各种速度位置等控制领域。

2.工作与控制原理

在需要对速度、位置等参数进行控制的场合，使用步进电机，会非常简单方便。但步进电机并不能象普通的直流电机或交流电机那样，在常规下直接使用。步进电机是一种感应电机，需要利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流。用这种电流供电，电机才能正常工作。所以它需要专门的驱动器——为步进电机分时供电的多相时序控制器。因此，步进电机控制技术，涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

HB（混合）型和PM（永磁）型步进电机

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目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。专用芯片有：用PMM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A两相或四相功率驱动器，组成四相步进电机功率驱动电路。步进电机控制框图见图1。

图1 步进电机控制系统框图

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。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。在不同应用场合，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，则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高电压对力矩影响如下：

步进电机有步距角（涉及到相数）静转矩及电流三大要素组成，一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了

（1）电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上，步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）0.9度/1.8度（二四相电机）1.5度/3度 （三相电机）等。

（2）步进电机的动态力矩事先很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的，直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

（3）静力矩一样的电机，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，判断电机的电流（参考驱动电源及驱动电压）。

3.步进电机类型与特征

3.1步进电机的基本类型

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机得到迅速发展。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等。另外，按照线圈激励相数的不同，可分为二相，三相和五相；按其传动设计方式，又有旋转型步进，直线型步进，以及带减速齿轮与不带减速齿轮之分。

混合式步进电机

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相、四相和五相：两相步距角一般为1.8度而五相步距角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

3.2步进电机的特征

高精度的定位：

步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例：其定位基本单位(分辨率)为0.72°(全步级)/0.36°(半步级)，是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分(±0.05°)以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。(步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度)

位置及速度控制：

步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制(位置控制)，并可得到与该脉冲信号周波数(频率)成比例的回转速度。

具定位保持力：

步进电机在停止状态下(无脉波信号输入时)，仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。

动作灵敏：

步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。

开回路控制、不必依赖传感器定位：

步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器(ENCODER、转速发电机)及位置传感器(SENSOR)，就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。

中低速时具备高转矩：

步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。

高信赖性：

使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。

小型、高功率：

步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。

4.步进电机基本参数

4.1固有步距角

表示控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机所转动的角度。电机出厂时会给出这样一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

4.2相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

4.3保持转矩（HOLDINGTORQUE）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

4.4DETENTTORQUE：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

5.步进电机命名规则

步进电机命名规则　　　SHENLI Stepper Motor naming rules^[3]

6.步进电机的选型与参数运算

7.1 选型原则

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。 一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

　　选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。

运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。

7.2 步进电机力矩与功率换算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

P= Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米

P=2πfM/400(半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS)

7.3 步进电机转速计算

步进电机的转速可以用频率来控制，步进电机的运行频率跟转速成正比，可以通过计算公式，计算出步进电机的转速。

步进电机转速 = 频率 * 60 /200*x

其中：步进电机的转速单位是： 分/转 频率单位是：赫兹 x实指细分倍数

举例说明： 步进电机采用整步，即1细分；频率1K，即1000赫兹；套用公式：1000 * 60/200=300转/分

注意事项：此公式适应于两相步进电机，如果三相混合式步进电机，可能因为驱动器内部算法不一致，结果跟实际转速不一致。

8.一些使用中的问题

8.1 驱动器的细分原理

对于步进系统，采用细分驱动器不仅仅是为了提高精度，其实细分主要是为了改善电机的运行性能。

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，假如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。

注意，国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分，一定要分清两者的本质不同。

“平滑”并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的；电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。

8.2 步进电机的外表温度允许达到多少?

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

8.3 为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

8.4 为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

8.5 如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；

B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；

C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；

D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；

E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

8.6 细分驱动器的细分数是否能代表精度?

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8° 的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。

8.7 四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?

四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。

8.8 如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?

A.电压的确定：混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

B.电流的确定：供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

8.9 混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?

当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

8.10 如何用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?

只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。

参考

1. ^文中部分内容或素材来自网上，侵删！
2. ^图片来源 Photo_1：https://www.monotaro.com/ Monotaro>步进电机 Photo_2：http://www.robotsfx.com/　浅草技研>伺服执行器 Fig_1：https://www.minebea.co.jp/news/　小型、高分辨率、高刚性混合型步进电机“25□（见方）1.8°”（外形尺寸25mm见方、步距角1.8度）的产品化 Fig_2：https://www.nidec.com/　2-4-2 爪极型PM电机
3. ^步进电机 http://www.gdszph.com/bujindianji/