步進電機原理及術(shù)語

步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化設(shè)備中。步進
電機和普通電動機不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，它同時完成兩個
工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或速度。
電機工作原理:圖 2.1 為兩相步進電機的工作原理示意圖，它有2 個繞組。當(dāng)一個繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場， 將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下， 通電方向順序按照

四個狀態(tài)周而復(fù)始進行變化，電機可順時針轉(zhuǎn)動；通電時序為

時，電機就逆時針轉(zhuǎn)動?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變化

一次，使電機轉(zhuǎn)動一步，即90 度。4 個脈沖，電機轉(zhuǎn)動一圈。脈沖頻率越高，電機轉(zhuǎn)動越快，實
際電機的節(jié)構(gòu)要比模型復(fù)雜，并且每轉(zhuǎn)一步，一般為1-8°。
步進電機的輸出力矩與電機的有效體積、線圈匝數(shù)、磁通量、電流成正比，因此，電機有效體
積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之越小。

步進電機術(shù)語:

相數(shù)：
是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。
步距角：
對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。一般二相電機的步距角為 1.8 度，即電機運動
200 步為一周。
靜力矩（HOLDING TORQUE）：
是指步進電機通以額定電流但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)
之一，通常步進電機在低速時的轉(zhuǎn)矩接近靜力矩。
定位力矩（DETENT TORQUE）：
是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。
步距角精度：
步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：（誤差/步距角）′ 100%。
步進角的誤差不累積。
最大空載起動頻率：
電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。
最大空載的運行頻率：
電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高運行頻率。
相電流：
電機繞組所通過的電流。
電機矩頻特性：
電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為電機矩頻特性，這是電
機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如圖2.2 所示，在低速時的電機力矩接近
靜力矩，隨著電機速度的增加，電機輸出力矩不斷衰減。
電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的相電流在額定電流和電壓下，相電流越大，電機輸出力矩
在低速時越大，電壓越高，高速運轉(zhuǎn)時力矩越大。

圖2.2 電機矩頻特性曲線
圖2.2 中，1-3 表示電壓或電流的值變大時，力矩的變化趨勢。另外，請注意，同一電機
的矩頻特性曲線在不同驅(qū)動器下的表示是會有差異的，所以選型時要留有余量。
電機的共振點：

步進電機均有相對固定的共振區(qū)域，2、4 相混合式步進電機的共振區(qū)一般在180～250pps 之
間（步距角1.8 度）。電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向
上偏移。為使電機輸出力矩大，不失步及使系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。注
意：細分會改變共振區(qū)的位置。
丟步（失步）：
控制器給電機發(fā)了 n 個脈沖，步進電機并沒有轉(zhuǎn)動n 個步距角。一般當(dāng)電機力矩偏小、加速度
偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會使丟步現(xiàn)象發(fā)生。
步進電機的類型：
步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）等。
永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度或15 度；
反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。
反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；
混合式步進電機是指綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點而設(shè)計的步進電機。它又分為兩相和五相：
兩相步進角一般為1.8 度，而五相步進角一般為0.72 度。目前，兩相混合式步進電機最常用。
步進電機的極性：
步進電機分雙極性電機和單極性電機。如圖 2.3（a）所示雙極性電機，電流在2 個線圈流動
時序為AA ? BB ? AA ? B B ；而單極性電機線圈中電流的流動方向是固定的，如圖2.3
（b）所示，其通電時序為VA ? VC ? VB ? VD 。
單極性電機的驅(qū)動器較雙極性電機驅(qū)動器簡單，但單極性電機的輸出力矩較小。

（a）雙極性電機（b）單極性電機
圖2.3 步進電機線圈的極性
步進電機線圈的串、并聯(lián)：
許多 2 相步進電機有8 根引線，這種電機既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接。
串聯(lián)連接的電機，電流較小，低頻力矩較大；并聯(lián)連接的電機，電感較小，所以啟動、停止速
度較快，高頻力矩有所增大

步進電機結(jié)構(gòu):