步进电机的选型

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1、步进电机在构造上有三种主要类型：反应式(Variable Reluctanee, VR)、永磁式(Perma nent Mag net,PM )和混合式(Hybrid Stepp in g,HS)。反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小,可达 1.2、但 动态性能差、效率低、发热大,可靠性难保证。永磁式：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,但这种电机精度差,步矩角大(一般为7.5或 15)。混合式： 混合式步进电机综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

2、小齿以提高步矩精度。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。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 电机的基本步矩角为 1.8/步,配上半步驱动器后,步矩角减少为 0.9,配上细分驱 动器后其步矩角可细分达 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步进电机的性能特点及其与普通电机的不同 步进电机具有特殊的步进工作方式,它接受驱动电源提供的电脉冲并按“脉冲步调”输出

3、增量式转角或直线位移,故也被称为脉冲电动机。步进电机的工作状态相对不易受电源、环境条件及负载的波动影响,它可以工作于步进 状态和连续状态。改变脉冲相序和频率可调整步进电动机的转向和转速,它调速范围较 宽且平滑性较好,步距误差无积累现象,结构简单、运行稳定可靠,广泛用于自动控制 系统尤其是数字控制系统中作为执行元件。就应用面来看,步进电动机在执行电机中占有相当重要的位置。对步进电动机的要求包 括：1、步距角精度高,能够准确地将脉冲信号转换为角位移。2、启动频率和运行频率满足系统要求,运行稳定。连续调整工作频率时,步进电动机 应能跟上工作频率的变化,不能出现“失步”及严重的振荡现象。3、产品通用性

4、强,功耗低,效率高。4、具有较强的负载驱动能力。某些场合中当步进电机停转时,还要求有足够的定位力 矩。步进电动机虽然在运行、控制方式等方面异于一般的电动机,它仍然是以电磁关系为基 础进行机电能量转换的。按工作原理的差异,常把步进电动机分为反应时(磁阻式)、 永磁式和混合式三大类。特殊种类的步进电动机包括直线步进电动机、平面步进电动机、 微型步进电动机等。近 30 年来，步进电动机在产品结构、种类与性能方面有较大的发展，其产品逐渐趋于 高效率、通用化、系列化。由于需要采用特殊的电源提供控制脉冲，因而步进电动机的 发展还与电子技术密切相关。世界知名的半导体厂商相继开发了多种用于步进电动机驱 动控制

5、的专用集成电路芯片，在一定程度上简化的驱动控制的复杂性，例如步进电机驱 动芯片tb6560ahq,就是由东芝公司推出的、目前最成熟的高集成度产品。随着微型 计算机尤其是工业控制计算机的广泛应用，机电设备或系统日益体现数字化的特征，采 用软件方式对步进电动机进行控制增加了灵活性与适应性,必将逐渐拓展步进电动机的 应用领域。1、系统常识：步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性 能,不但取决于步进电机自身的性能,也取决于步进电机驱动器的优劣。对步进 电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。2 、系统概述：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱

6、动器接收到 一个脉冲信号（来自控制器）,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。3 、系统控制：步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作,必须使用专用的驱动电源（步 进电机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角 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。4 、用途：步进电机是一种控制用的特种电机,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（步进电机驱动器性能提高）,步进电机 的需求量与日俱增。步进电机在运行中

7、精度没有积累误差的特点,使其广泛应用 于各种自动化控制系统,特别是开环控制系统。5 、步进电机按结构分类：步进电机也叫脉冲电机，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。（1）反应式步进电机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。其定子和转子均由软磁材料制成，定 子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽， 通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到 六分之一度）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很 低时）震荡时

8、间较长；启动和运行频率较高。（2）永磁式步进电机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、 转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。 一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩; 启动和运行频率较低。（3）混合式步进电机： 也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。其定 子和四相反应式步进电机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕 组产生的 N、 S 极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆

9、柱形永磁铁， 两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相;须供给正负脉冲信 号;输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）;步距角较永磁式小（一般为1.8 度）;断电时无定位转矩;启动和运行频率较高;是目前发展较快的一种步进电 机。6、步进电机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。（ 1）功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合 式步进电机）。（ 2）伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式 步进电机）。7、步进电机的选择：（1）首先选择类型，其次是具体的品种与型号。（2）反应式、永磁式和混合式三种步进电机的性能指标、外形尺寸、安装方 法、

10、脉冲电源种类和控制电路等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。（3）具有控制集成电路的步进电机应优先考虑。8、步进电机的基本参数：（1）电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出 了一个步距角的值，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5，它不 一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。（2）步进电机的相数：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/

11、1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72。步进电机增加相数能提高性能，但步进电机 的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。（3）保持转矩（HOLDING TORQUE）：也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产 生连续旋转的最大转矩。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）步距精

12、度： 可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。（5）矩角特性：步进电机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。 步进电机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。（ 6）静态温升：指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到 稳定的热平衡状态时的温升。（7）动态温升： 电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电 机所达到的温升叫动态温升。（8）转矩特性： 它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。（9）启动矩频特性： 启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。（10）运行矩频特性/惯频特性：略（11）升降频时间： 指电机从启

13、动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的 时间。（12）DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE在 国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应式步进电机的转子不是永磁材料， 所以它没有 DETENT TORQUE。9、步进电机的一些特点：（1）步进电机没有积累误差：一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三 到五，且不累积。（2）步进电机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动 器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。（3）即使是同一台步进电机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很 大。（4）步进电

14、机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值； 又因为步进电机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压， 所以，步进电机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。（5）步进电机外表允许的最高温度：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，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。（6）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

15、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。（7）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定频率就无法启动,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）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

16、成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的 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。（9）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1248VDC）,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。（10）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