步进电机介绍

一、步进电机介绍

步进电机又称为脉冲电机,基于最基本的电磁铁原理,它是一种可以自由回转的电磁铁,其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩，步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比,而且在时间上与脉冲同步，因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需的转角、速度和方向。

二、主要分类

步进电机从按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列，最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。

该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步），由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低，同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

三、主要构造

步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的，通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

四、工作原理

常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致，当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度，每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比，改变绕组通电的顺序，电机就会反转，所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

五、发热原理

通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的，绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗，铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。 铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率，步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且比一般交流电机严重。

六、步进电机的细分驱动控制

步进电机由于受到自身制造工艺的限制,如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定,但转子齿数和运行拍数是有限的,因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的,步进的分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动,噪音比其他微电机都高,使物理装置容易疲劳或损坏。 这些缺点使步进电机只能应用在一些要求较低的场合,对要求较高的场合,只能采取闭环控制,增加了系统的复杂性,这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的有效利用，细分驱动技术在一定程度上有效地克服了这些缺点。

七、选择方法

1.判断需多大力矩

静扭矩是选择步进电机的主要参数之一，负载大时，需采用大力矩电机，力矩指标大时，电机外形也大。

2.判断电机运转速度

转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入，且在选择驱动器时采用较高供电电压。

3.选择电机的安装规格

如57、86、110等，主要与力矩要求有关。

4.确定定位精度和振动方面的要求情况

判断是否需细分，需多少细分，根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。

八、主要特性

1.步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动，转动的速度和脉冲的频率成正比。

2.三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。

3.步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4.改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向，因此，打印机、绘图仪、机器人等设备都以步进电机为动力核心。

九、步进电机优点

1.电机旋转的角度正比于脉冲数。

2.电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）。

3.由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性。

4.优秀的起停和反转响应。

5.由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命。

6.电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本。

7.仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。

8.由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

十、步进电机缺陷

1.如果控制不当容易产生共振。

2.难以运转到较高的转速。

3.难以获得较大的转矩。

4.在体积重量方面没有优势，能源利用率低。

5.超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

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