步进电机的概述及选型要求（步进电机的概述及选型方法）

步进电机是感应电机。其工作原理是利用电子电路将直流电转变为分时供电。多相顺序控制电流。该电流用于给步进电机供电，使步进电机能够正常工作。驱动器为步进电机提供分时电源。虽然步进电机已得到广泛应用，但多相序控制器不能像普通直流电机一样使用。通常使用交流电机。必须作为由双环脉冲信号、电源驱动电路等组成的控制系统，因此，想要用好步进电机并不容易。它涉及机械、电机、电子、计算机等很多专业知识。

步进电机作为执行机构，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量日益增加，并应用于国民经济的各个领域。

步进电机是将电脉冲转换为角位移的执行器。通俗地说：当步进驱动器接收到脉冲信号时，驱动步进电机按设定的方向旋转固定的角度（即步距角）。可以通过控制脉冲数来控制角位移，实现精确定位；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机的速度和加速度，实现调速。

1、步进电机的主要特点：

1、一般步进电机的精度为步距角的3-5%，不累加。

2、步进电机表面允许的最高温度。

如果步进电机的温度过高，首先会使电机的磁性材料退磁，导致扭矩下降，甚至失步。因此，电机表面允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来说，磁性材料的退磁点都在130摄氏度以上，有的甚至高达200摄氏度以上，所以步进电机的表面温度在80-90摄氏度是完全正常的。

3、步进电机的扭矩会随着速度的增加而减小。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感会形成反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在其作用下，电机的相电流随着频率（或转速）的增加而减小，从而导致转矩减小。

4、步进电机在低速时可以正常运行，但如果高于一定速度，则无法启动，并会发出啸叫声。

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，电机将无法正常启动，可能会丢步或堵转。在负载情况下，启动频率应较低。如果想让电机高速旋转，脉冲频率应该有一个加速过程，即起始频率较低，然后以一定的加速度上升到所需的高频（电机转速从低速增加到高速）。

5、必须驱动步进电机才能运转。驱动信号必须是脉冲信号。当没有脉冲时，步进电机静止。如果加上适当的脉冲信号，它就会旋转一定的角度（称为步距角）。旋转速度与脉冲频率成正比。

6、三相步进电机的步距角为7.5度，转一圈360度需要48个脉冲才能完成。

7、步进电机具有瞬时启动和快速停止的优越特性。

8.改变脉冲序列可以轻松改变旋转方向。因此，目前打印机、绘图仪、机器人等设备均采用步进电机作为动力核心。

2. 步进电机驱动器的特点

1、构成步进电机驱动系统的专用集成电路：

1.1.脉冲分配器集成电路：如三洋的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

1.2.控制器集成电路包括脉冲分配器和电流斩波器：如SGS的L297、L6506等。

1.3.仅包含功率驱动（或包含电流控制和保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动） 。

1.4.驱动控制器集成电路包括脉冲分配器、功率驱动器、电流控制和保护电路，如东芝的TB6560AHQ、摩托罗拉的SAA1042（四相）和ALLEGRO的UCN5804（四相）等。

2、“细分驱动”概述：将“电机固有步距角”细分为若干小步的驱动方式称为细分驱动。细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的。电机本身与此无关。原理是定子通电相电流不会一下子上升到该位置，断电相电流也不会一下子下降到0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N-级近似阶跃波），那么定子绕组电流产生的磁场力将导致转子有N个新的平衡位置（形成N个阶跃角）。

3、步进电机的分类

步进电机有三种类型：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。永磁步进机一般为两相，扭矩和体积较小，步距角一般为7.5度或15度；反应式步进器一般为三相，可以实现大扭矩输出，步距角一般为1.5高，但噪音和振动很大，在欧美等发达国家已被淘汰20 世纪80 年代；混合式步进器是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度，五相步进角为一般为0.72度。这种类型的步进电机应用最广泛。

4、步进电机的优缺点

4.1.优点：电机旋转角度与脉冲数成正比；电机停止时（绕组励磁时）有最大扭矩；由于每一步的精度在3%到5%之间，并且不会将一步的误差累积到下一步，因此具有更好的位置精度和运动的重复性；出色的启停和反转响应；由于无电刷，可靠性高，因此电机的寿命仅取决于轴承的寿命；电机的响应仅由数字输入脉冲决定，因此可以采用开环控制，这使得电机的结构相对简单且具有成本效益；通过简单地将负载直接连接到电机轴，它还可以以非常低的速度同步旋转。由于速度与脉冲频率成正比，因此具有较宽的速度范围。

4.2.缺点：控制不当容易发生共振；难以运行到更高的速度；难以获得较大的扭矩；体积和重量没有优势，能源利用率低；超载时同步会被破坏，高速工作时同步会被破坏。发出振动和噪音。

5.步进电机的基本术语

保持扭矩（HOLDINGTORQUE）是指步进电机通电但不旋转时，定子锁住转子的扭矩。它是步进电机最重要的参数之一。通常步进电机低速时的扭矩接近保持扭矩。保持扭矩越大，电机的负载能力越强。由于步进电机的输出扭矩随着转速的升高而不断衰减，输出功率也随着转速的升高而变化，因此保持扭矩就成为衡量步进电机的重要参数之一。例如，当人们说2N.m步进电机时，除非另有说明，否则他们指的是保持扭矩为2N.m的步进电机。

步进电机的细分技术本质上是一种电子阻尼技术（请参考相关文献）。其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动。提高电机的运行精度只是细分技术的附带功能。例如，对于步距角为1.8度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，则电机的运行分辨率为每脉冲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他因素。不同厂家的细分驱动器的精度可能会有很大差异；细分数越多，精度就越难控制。

运行转矩-频率特性是在一定的试验条件下测得的电机运行时的输出转矩与频率之间的关系曲线。

实用公式：转速（r/s）=脉冲频率/（电机每转整数步数*细分数）

V：电机转速（R/S）； P：脉冲频率（Hz）； e：电机固有步距角； m：细分数（全步为1，半步为2）。