步进电机基本结构和工作原理

  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，实现对步进电机的转向、速度和旋转角度的控制。配合以直线运动执行机构或齿轮箱装置，更可以实现更加复杂、精密的线性运动控制。

步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成，步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机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，绕在定子齿槽上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

步进电机基本结构步进电机工作原理

  步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号，通过其内部的逻辑电路，控制步进电机的绕组以一定的时序正向或反向通电， 使得电机正向/反向旋转，或者锁定。  

以1.8度两相步进电机为例：当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静止并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的最大力矩为保持力矩。如果其中一相绕组的电流发生了变向，则电机将顺着一个既定方向旋转一步（1.8度）。同理，如果是另外一项绕组的电流发生了变向，则电机将顺着与前者相反的方向旋转一步（1.8度）。当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时，电机会顺着既定的方向实现连续旋转步进，运行精度非常高。1.8度两相步进电机旋转一周需200步。  

两相步进电机有两种绕组形式：双极和单极。

双极电机每相上只有一个绕组线圈，电机连续旋转时电流要在同一线圈内依次变向励磁，驱动电路设计上需要八个电子开关进行顺序切换。

单极电机每相上有两个极性相反的绕组线圈，电机连续旋转时只要交替对同一相上的两个绕组线圈进行通电励磁。

驱动电路设 计上只需要四个电子开关。在双极性驱动模式下，因为每相的绕组线圈为100%励磁，所以双极性驱动模式下电机的输出力矩比单极性驱动模式下提高了约 40%。

2相（双极性）步进电机

2相（单极性）步进电机

准确位置控制

  步进电机以一个固定的步距角转动，就像时钟内的秒针。这个角度称为基本步距角。鸣志提供两种基本步距角来作为标准电机：基本步距角为1.8°两相步进电机和基本步距角为1.2°的三相步进电机。

  除标准电机以外，其它基本步距角的步进电机，分别是0.72°，0.9°，1.5°，3.6°，3.75°。

简单的脉冲信号控制

  如下所示高精度定位系统。控制器发出的脉冲信号可以准确地控制步进电机的转动角度和速度。

什么是脉冲信号？

  脉冲信号是一个电压反复在ON 和OFF 之间改变的电信号。

  每个ON/OFF周期被记为一个脉冲。单个脉冲信号指令使电机出力轴转动一步。

  对应电压ON和OFF情况下的信号电平被分别称为“H”和“L”。

转动距离与脉冲数成比例关系

  步进电机的转动距离正比于施加到驱动器上的脉冲信号数（脉冲数）。

  步进电机转动（电机出力轴转动角度）和脉冲数的关系如下所示：

转速与脉冲频率成比例关系

  步进电机的转速与施加到驱动器上的脉冲信号频率成比例关系。

  电机的转速[r/min] 与脉冲频率[Hz] 的关系如下（整步模式）：

高力矩、小体积

  步进电机的重要特征之一是高力矩、小体积。

  这些特征使得电机具有优秀的加速和响应，使得这些电机非常适合那些需要频繁启动和停止的应用中。

  鸣志也有带减速机型电机可供选择，以满足低速下更高力矩的需求。

能够频繁启动/ 停止相同尺寸下的伺服电机与步进电机的速度力矩特性比较电机在停止位置自保持

  绕组通电时步进电机具有全部的保持力矩。这就意味着步进电机可以在不使用机械刹车的情况下保持在停止位置。

装有电磁刹车的电机

  一旦电源被切断，电机自身的保持力矩丢失，电机不能在垂直操作中或施加外力作用下保持在停止位置。在提升和其它相似应用中需要使用带电磁刹车的电机。

步进电机参数：速度-力矩曲线

  速度-力矩曲线是步进电机输出特性的重要表现形式。

A. 工作频率点：电机在某一点的转速值。     

B.自启动区域：步进电机可以直接启动和停止的区域。  

C.连续运行区域：在该区域内，电机无法直接启动或停止。电机在该区域内运行必须先经过自启动区域，然后经过加速达到该工作区域运行。同理，电机在该区域内也无法直接制动，否则容易造成电机失步，必须先经过减速到达自启动区域内再制动。  

D.最高启动频率：空载情况下，已励磁电机直接启动而不丢步的最高脉冲频率。  

E.最高运行频率：空载情况下，已励磁电机运行而不丢步的最高脉冲频率。  

F.启动力矩/牵入力矩：已励磁电机能以某一固定的频率启动和同步运行而不丢步的最大转矩。  

G. 运行力矩/牵出力矩：在规定的驱动条件下，按照给定脉冲频率，可加给已驱动电机转轴上而不是电机丢步的最大转矩。

步进电机参数：加速/减速运动控制

  当电机运行频率点在速度-力矩曲线的连续运行区域。那时，如何缩短电机启动或停止时的加速或减速时间，使电机更长时间地运行在最佳速度状态，从而提高电机的有效运行时间是非常关键的。  

如图所示，步进电机的动态力矩特性曲线，低速运行时曲线为水平直线状态；高速运行时，由于受到电感的影响，曲线发生了指数下降。

步进电机的动态力矩特性曲线

A.低转速状态下的直线加速运行

B.高转速状态下的指数加速运行  

  备注：J表示电机转子加负载时的转动惯量。q表示每一步的转动角度，在整部驱动时就是指电机的步距角。在减速运行时，只需将上述的加速脉冲频率反转过来计算就可以了。

步进电机参数：负载

  A.力矩负载（Tf）    Tf = G * r    

G：负载重量    R：半径  B.惯量负载（TJ）    TJ = J * dw/dt    J= M *（R12+R22）/2（Kg * cm）    M: 负载质量    R1：外圈半径    R2：内圈半径    dw/dt：角加速度

  一般来讲，步进电机在空载运行情况下，当电机的运行频率接近或等于电机转子的固有频率时会发生共振，严重的会发生失步现象。  

针对共振的几种解决方案：  

A. 避开振动区，使电机的工作频率不落在振动范围内  

B. 采用细分的驱动模式，使用微步驱动模式，将原来的一步细分为多步运行，提高电机的每步分辨率，从而降低振动。这可以通过调整电机的相电流比来实现的。微步并不会增加步距角精确度，却能使电机运行更加平稳，噪音更小。一般电机在半步运行时，力矩会比整步时小15%，而采用正弦波电流控制时，力矩将减小30%。

1）2相电机

4引线（双极性）

6引线（单极性）

8引线

2）3相电机

步进电机参数：轴承寿命和转轴负载

  电机选用长寿命、重负载轴承设计来保证电机有效使用寿命。根据客户的应用需求，提供大轴承和客户定制化结构设计。  

下图的轴承寿命曲线代表了在不同速度条件下，保证轴承的L10寿命为20000小时的情况下，容许加载在转轴上的最大容许轴向负载和径向负载。转轴径向负载限制（和轴承额定负载）与负载作用点距电机安装面的距离高度相关。

如下曲线计算的径向负载作用点与电机安装面的距离按曲线图上标注为准（通常作用点为扁丝/键的中点）。引起转轴（和轴承）失效的一个比较普遍原因是径向负载过大，如带轮压装在转轴上的位置距离电机安装面很远，同时皮带的张紧力很大。

为避免这种情况，建议带轮或齿轮压装的时候，要尽可能的靠近电机安装面，同时调节皮带的张紧力不可过高。这样可以显著的减小转轴应力，提高轴承寿命。

轴承寿命曲线

步进电机的选择方法

  本篇文章介绍在众多种类的步进电机中如何正确选择所需的步进电机种类。步进电机的选择方法如不正确，则不能获得良好的使用效果。明确步进电机的使用条件，与选择适合该步进电机的驱动方式一样重要。

步进电机种类的选择：1、由PM型、VR型、HB型来选定

  步进电机按转子的构造大体分为：由板金爪极与圆筒线圈组成的定子和永磁铁氧体转子组成的PM型步进电机；转子不使用永久磁铁的VR型步进电机；转子由两个磁极中间加一个磁铁组成的HB型步进电机三种类型，其各自的特点如下表【步进电机的种类与特点】所示。表 . 步进电机的种类与特点

  选用步进电机时，要先选择步进电机的类型。此时，如上表所示，要考虑转矩、步距角、时间常数及价格4点，以此判断何种步进电机合适。  

选用步进电机时，实际还要考虑位置控制精度、使用速度范围、负载传动方式（弹簧负载、摩擦负载、齿轮负载、皮带传动、螺旋传动）、噪音与振动、周围温度、使用环境（尘埃、油、湿度）等因素。  

例如PM型轴承不像HB型使用滚珠轴承，而是用金属滑动轴承，如施加弹性负载时，采用皮带传递负载或利用滚珠丝杠进行转矩传动，金属滑动轴承的径向载荷或止推载荷的允许值出现故障的情况会很多，并且需要注意PM型步进电机的使用温度范围。

VR型步进电机作伺服电机使用时要进行闭环控制，所以很少使用VR型步进电机。原因是其价格接近HB型步进电机，分辨率只有HB型步进电机的1/2，并且不如永磁电机效率高，而且其暂态特性差。HB型步进电机转矩大、分辨率高，多用于位置定位或低速运行，但易产生振动或噪声问题。

2、步进电机的相数选择

  选择步进电机时首先要考虑各种步进电机的优缺点，在这里先介绍不同相数的步进电机的优缺点：  

1）两相PM型步进电机  

（1）优点：  

① 便宜。一般比同等大小的 HB型步进电机的价格低 1/2  ② 跟HB型步进电机比较，气隙大，爪极构造，步距角度大，即同一转速情况下，相切换的次数少、噪音较低。  

（2）缺点：  

① 因分辨率低（步距角 7.5°比较大）的关系，位置定位误差比HB型要差，特别是1相激磁时的角度精度会更差。半步距的位置精度一般不好，PM型位置定位若非2相激磁，要达到满意的位置精度一般很难。低速范围（在200rpm以下）的转矩波动大。  ② 因气隙大，爪极的根部容易产生磁饱和，从而造成输出转矩小。  ③ 轴承采用金属滑动轴承，寿命短。  ④ 转子一般使用铁氧体磁极，温度特性不好，如长期使用，转矩下降比 HB 型要大。  

2）两相 HB型步进电机  

（1）优点：  

① 分辨率高（一般步距角 1.8°的较多）而被广泛使用。  ② 转矩大。  ③ 与多相 HB型步进电机比较，驱动功率管用量多，但价格便宜。  

（2）缺点：  

① 特别低速时振动大，60rpm附近容易产生共振。  ② 高速时的噪音大。  ③ 跟多相HB型比较，半步进时的转矩波动大（1：14）。  ④ 相同步距角的步进电机与多相电机比较，线圈阻抗大，高速时转矩小。  

3）三相 HB型步进电机  

（1）优点：  

① 分辨率是两相电机的1.5倍，能进行高精度位置定位。  ② 定子的主极数为6，交链磁通大，而且两相激磁时的转矩合成效率比两相电机好，转矩较高。  ③ 能Y接线或△接线，3端子6个功率管，比两相电机8个功率管少。  ④ 因三相结构的关系，激磁电流的三次谐波被抵消，振动和噪音比两相电机小。  ⑤ 齿槽转矩由两相电机的4次谐波变为三相电机的6次谐波，齿槽转矩比两相电机小。 （2）缺点：若为12主极，则比两相电机的8主极结构要复杂。  

要依据以上特点，正确选择合适用途的步进电机种类，最初正确的选择可避免因使用不当出现的麻烦。如希望正确选用电机种类，应该注意负载要求的输出转矩或步距角及最佳的驱动方式。