什么是步進電機？步進電機的基本參數、結構和原理以及步進電機的特點

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行器。步進驅動器接收到脈沖信號后，驅動步進電機按設定的方向旋轉一個固定的角度(稱為“步角”)，其旋轉以固定的角度步進運行。角位移可以通過控制脈沖數來控制，從而達到精確定位的目的；同時，可以通過控制脈沖頻率來控制電機的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可作為控制專用電機，因其無累積誤差(精度為100%)而廣泛應用于各種開環控制中。

目前常用的步進電機有反應式步進電機(VR)、永磁步進電機(PM)、混合式步進電機(HB)和單相步進電機。

永磁步進電機一般為兩相，轉矩小，體積小，步進角度一般為7.5度或15度；

無功步進電機一般為三相，可以實現大轉矩輸出。步進角度一般為1.5度，但噪音和振動都很大。無功步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子設有多相勵磁繞組，利用磁導率的變化產生轉矩。

混合式步進電機結合了永磁電機和無功電機的優點。分為兩相和五相：兩相的步進角一般為1.8度，五相的步進角一般為0.72度。這種步進電機應用廣泛，也是這種細分驅動方案中選用的步進電機。

　　步進電機的結構及其原理

步進電機是同步電機的一種。其結構與其他電機相同。它由定子和轉子組成。定子是一個勵磁場，它的勵磁場是脈沖式的，即磁場以一定的頻率步進旋轉，而轉子隨著磁場步進前進。步進電機主要有無功電機、電磁電機和永磁電機。下面以無功步進電機為例，討論其工作原理：

步進電機由轉子和定子組成。轉子和定子由帶齒的硅鋼片制成。定子有分成幾個相的繞組，每個相的磁極上都有極齒。當某相定子繞組被DC電壓激勵時，它吸引轉子，使轉子上的齒與該相定子的齒對準，使轉子旋轉一定角度，依次激勵定子繞組，使轉子連續旋轉。

步進電機的定子可以制成三相、四相、五相、六相甚至八相，每相的繞組可以徑向布置在定子上，也可以沿定子的軸向分段布置。

下面的FLASH是步進電機工作原理的動畫演示，選取的例子是單定子徑向分相反應式步進電機的截面圖。轉子上有40個均勻分布的齒，沒有繞組。三相定子A、B、C每相兩個極，每個極上有五個齒。和轉子一樣，齒間夾角為9。如果A相通電，轉子齒與A相極齒對齊。此時定子齒在B相兩極不與轉子齒中心線對中，但轉子齒中心線在逆時針方向上在定子齒中心線后1/3齒距，即3。在c相，轉子齒領先6。所以通電狀態從A相變為B相時，轉子順時針旋轉3，C相通電后旋轉3。步角是

雙拍通電勵磁，即按A-AB-B-BC-C-CA-A的順序通電勵磁，則步距角為

一般來說

其中：m——繞組相數；

z——轉子的齒數，單拍KP=1，雙拍KP=2。如果反方向通電，步進電機將逆時針旋轉。

圖1示出了五相五定子軸向分相無功步進電機。定子和轉子分為五段，軸向排列。它有16個齒，因此齒距為22.5，每相定子徑向偏移齒距的1/5(或fi

B-C-D-E-A……的五相五拍通電，步距角為

　　如果按AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB……的十拍通電，則步距角為2.25°。

　　圖2（a）為160BF02型六相功率步進電機，電機的轉子有40個齒，不分段由硅鋼片疊成。步距角可以是1.5°或0.75°。電機的定子如圖（b）所示由硅鋼片疊成分為三段，每段有8個磁極，單數極屬于同一相，雙數極屬于另一相，極齒的齒夾角也是360°/40＝9°，每段上的兩相磁極的極齒彼此便錯開4.5°。三段定子裝入機殼內時，三段上的記號槽相互徑向錯開120°，因而三段上三個均布鍵槽對齊，在鍵槽中用鍵固定。這樣裝配后，段與段之間的極齒便錯開1.5°，如果第一段的兩相為A、D相，則第二段為B、E相，第三段為C、F相。功率步進電機的輸出轉矩大，繞組上的電流大。結構上采用徑向與軸向分相相結合的形式，徑向尺寸小，慣性小，散熱好，而且沒有磁漏。

　　步進電機的基本參數

　　電機固有步距角：

　　它表示控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。

　　步進電機的相數：

　　是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則‘相數’將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。

　　保持轉矩（HOLDING TORQUE）：

　　是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。

　　DETENT TORQUE：

　　是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。

　　步進電機的特點特性

　　（1）即使是同一臺步進電機，在使用不同驅動方案時，其矩頻特性也相差很大。

　　（2）步進電機在工作時，脈沖信號按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅動器內的環形分配器控制繞組通斷電的方式）。

　　（3）步進電機與其它電動機不同，其標稱額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進電機是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進電機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時不應偏離額定值太遠。

　　（4）步進電機沒有積累誤差：一般步進電機的精度為實際步距角的百分之三到五，且不累積。

　　（5）步進電機外表允許的最高溫度：步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

　　（6）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降：當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。

　　（7）步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定頻率就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）

　　（8）混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。

　　（9）供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I的1.5～2.0倍。

　　（10）當脫機信號FREE為低電平時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。在有些自動化設備中，如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調節。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續自動控制。

　　（11）用簡單的方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向，只需將電機與驅動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。

　　（12）四相混合式步進電機一般由兩相步進驅動器來驅動，因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發熱小；并聯接法一般在電機轉速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而步進電機發熱較大。