电机的分类 永磁式（PM，Permanent Magnent） ：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子 的极数相同。其特点是动态性能好，输出力矩大，体积小。一般为两相，步距角为 7.5°或 15°. 反应式(VR，Variable Relucance)：定子上有多相励磁绕组，转子由软

　　电机的分类 永磁式（PM，Permanent Magnent） ：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子 的极数相同。其特点是动态性能好，输出力矩大，体积小。一般为两相，步距角为 7.5°或 15°. 反应式(VR，Variable Relucance)：定子上有多相励磁绕组，转子由软磁材料制成，利用磁导的变 化产生转矩。特点是结构简单，成本低，一般为三相，步距角小，一般为 1.5°。但动态性能差，噪声 和振动大，发热大，效率差，可靠性难保证，但输出转矩大。 。 混合式（HB，HS，Hybrid stepping） ：混合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组，转 子上采用永磁材料。转子和定子上均有多个小齿以提高步距精度。其特点是输出力矩大、动态性能好， 步矩角小，但结构复杂，成本相对较高。一般为两相和五相。 目前，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（固定）步距角为 1.8°，配上半步驱动器后，步距角可达到 0.9°。配上细分驱动器后其步距角可细分达到 256 倍，0.007°。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。 相数 电机的相数是指电机内部的线圈组数。产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。目前常用的有 二相、三相、四相、五相步进电机。N 相步进电机有 N 个绕组，这 N 个绕组要均匀地镶嵌在定子上， 因此定子的磁极数必定是相数 N 的整数倍。N 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°。 在没有细分驱动时，主要靠选择不同的相数的步进电机来满足自己步距角的要示。如果使用细分 驱动器，则相数变得没有意义，只要在驱动器上改变细分数，就可以改进步驱角。 目前使用广泛的是两相和四相。四相电机一般用作两相，五相成本较高。 拍数、整步、步进电机半步 拍数是指步进电机旋转一圈，定子绕组的通电状态被切换的次数。 完成一个磁场周期变化所需脉冲数或导电状态。或指电机转过一个步距角所需脉冲数。以四相电 机为例， 有四相四拍运行方式为： AB-BC-CD-DA-AB， 四相八拍运动方式为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 固有步距角： 对应一个脉冲信号，电机转子转运的角位移， 360 ? 360 ? ?? ?? ZmK 转子齿数? 运行拍数 以转子齿为 50 齿的电机为例，四相四拍运行时 ? ? 360 ? 、四相八拍运行时 ? 1.8? （整步） 50 ? 4 ?? 360 ? 。 ? 0.9? （半步） 50 ? 8 360 ? ZmK Z：转子的齿数；m：步进电机定子的相数；K 控制系数，是拍数与相数的比例系数。 ?? 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，电机真实的 步距角还和驱动器的设置有关。 相数越少，步距角越大，高速性好，但速度的平稳性差、精度差，特别是在低速时振动越大。这 时可以采用细分驱动器的方式解决。 相数越多，步距角越小，运转精度越高、平稳性好。 相数少力矩小，相数多力矩大，五相电机的力矩通常在 2Nm。 步距角精度 步进电机每转一个步跷有的实际值与理论值的误差。不同运行拍数，其数值不同，四拍运行时在 5%之内，八拍运行时在 15%之内。 由于步进电机主要用于开环控制的伺服系统中，这一误差无法测量和补偿，因此，在选用步进电 机时，应分析它对整个伺服系统的影响。 保持转矩（HOLDING TORQUE） 静转矩 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。通常步进电机在低速时的力矩 接近保持转矩。该力矩也是电机所能输出的电磁力矩，它反映了步进电机的制动能力和低速时步 进运行的负载能力。 电机在额定静电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。 电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随着速度的增大而变化，所以保持转矩就 成为了衡量步进电机重要的参数之一。 步进电机的动态力矩一下子很难确定，往往先确定电子的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作 的负载，而负载分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时，两种负载均要考虑，加速起动时主要考 虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，步进电机静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍。静力矩一 旦选定，电机的机座号及长度便能确定下来。 DETEND TORQUE 定位转矩 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。反应式 VR 步进电机不是永磁材料，没 有该指标。 空载起动频率 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高到所希望的高频。 步进电机的起步速度一般在 10-100rpm.主要根据电机大小和负载情况而定，大电机一般对应较低 的起步速度。 空载的运行频率 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的转速频率。 启动矩频特性 是指步进电机在有外加负载力矩时，不失步地正常启动所能接受的启动频率与负载力矩之间的对 应关系曲线。由图可知，负载力矩越大，所允许的启动频率越小。选用步进电机时，应该使实际 应用的启动频率与负载力矩所对应的启动工作点位于该曲线之下，才能保证电机不失步地正常启动。 运行转矩特性 步进电机在某种测试条件下，测得运行中输出和矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性。这是电 机诸多动态曲线中重要的，也是选择电机的根本依据。 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。如图，曲线 电流或电压，曲线 电流小或电压。曲线 与负载的交点为负载的速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，应采用小电感大电流的 电机。 振动、共振点 由于电机转子是一个有质量的，当电机运行的频率接近于转子的固有频率时，振动就产生了。步 进电机均有固定的共振区域，二四相感应式 VR 的共振区一般在 180-250PPS 之间（对于步距角 1.8°） 或 PPS（对于步距角 0.9°） 。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。为使电机输出电磁力矩大、不失步和整机系统噪音降低，一般工作点应低 移共振区。 一般来说，步进电机在空载运行时，在 200PPS 左右会有一个很严重的振动，甚至会产生失步的现 象，一般有几种解决的办法： 1、避开振动区，可通过改就减速比等机械传动的方法，使电机的工作频率不在这个范围内。 2、采用细分的驱动方式，使原来的 1 步完成的动作分几步完成，减少振动，一般半步运行时，电 机的力矩比整步时少 15%，采用正弦波电流控制时，力矩减小为 30%。 3、采用更小的步距角的电机。 4、选用电感较大的电机。 5、交流伺服电机几乎可以完全克服振动和噪声，但成本高。 6、在电机轴上加磁性阻尼器。 低频振动特性：步进电机以连续的步距状态边移动边重复运转，其步距状态的移动会产生 1 步距 响应。步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点。 电机的固有频率估算值为 如何选择步进电机和驱动器 （1）判断需要多大的力矩。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，但力矩指标大时，电机外形也大。 （2）判断电机运转速度。转速要求高时，应先相电流较大、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）判断定位精度和振动。判断是否需要细分，需多少细分。 （4）判断工作温度。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，步进电机因此电机外表允许的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 130 度以上，有的甚至高达 200 度以上，所以步进电机外表温度在 90 度完全正常。 根据电机的电流、供电电压和细分选择驱动器。 细分 细分主要通过驱动器实现。步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术。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 度的两相混合式步进遇机， 如果细分驱动器的细分设置为 4， 那么电机的运转分辩率为每个脉冲 0.45 度。电机的精度能否达到或接近 0.45 度，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 家的细分驱动器精度可能差别很大。同时，细分越大精度越难控制和保证。
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