1 步进电机概述
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
元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动
电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、
电子及计算机等许多专业知识。
目前，生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我以广泛的感应子式步进电机为例，叙述其基本工作原理。希望能对大家有用。
2 感应子式步进电机基本原理
（1）反应式步进电机原理
由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1、结构：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て，（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A‘与齿5相对齐，（A’就是A，齿5就是齿1）
2、旋转：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て，向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。
由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m，2/m……（m-1）/m，1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩：
电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量***）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d***/dθ）成正比 S 其磁通量***=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。
力矩=力*半径
力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
（2）感应子式步进电机
1、特点：
感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式。不难发现其条件为C=，D=。
一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。
2、分类
感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG（BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。
3、步进电机的静态指标术语
相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。
拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）
静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动
电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。
4、步进电机动态指标及术语：
1） 步距角精度：
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
2） 失步：
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。
3） 失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
4） 最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
5） 最大空载的运行频率：
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
6） 运行矩频特性：
电机在某种测试条件下测得运行中输出力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最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，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。
其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。
7） 电机的共振点：
步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），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，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
8） 电机正反转控制：
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（）时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或（）时为反转。
3 如何驱动步进电机
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：
1、脉冲信号的产生。
脉冲信号一般由
单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
2、信号分配
我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为，步距角为1.8度；二相八拍为，步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB，步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB，（步距角为0.9度）。
3、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：
说明：
CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）
OPTO 接CPU+5V
FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作
DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转
VCC 直流电源正端
GND 直流电源负端
A 接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B 接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：
4、细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
4 步进电机的使用
步进电机的从以下几个角度阐述：
（1）步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
1、步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。
2、静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）
3、电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
4、力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60
其中P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米
P=2πfM/400（半步工作）
其中f为每秒脉冲数（简称PPS）
（2）、应用中的注意点
1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V，110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。
4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。
5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。
6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度，或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。
7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。
8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。
9、应遵循先选电机后选驱动的原则。
步进电机运转的原理
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件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
1 步进电机的结构（以五相步进电机为例）
步进电机的构造主要采用图示的方式进行讲解：
步进电动机构造上大致分为定子与转子两部分。 转子由转子 1、转子 2、永久磁钢等 3 部分构成。而且转子朝轴方向已经磁化，转子 1 为 N 极时，转子 2 则为 S 极。
定子拥有小齿状的磁极，共有 10个，皆绕有线圈。 其线圈的对角位置的磁极相互连接着，电流流通后，线圈即会被磁 化成同一极性。（例如某一线圈经由电流的流通后，对角线的磁极将 同化成 S 极或 N 极。） 对角线的 2个磁极形成 1个相，而由于有 A相至 E相等 5个相位，因此称为 5 相步进电动机。
转子的外圈由 50个小齿构成，转子 1 和转子 2 的小齿于构造上互 相错开 1/2 螺距。由此转子形成了100个小齿。目前已经有转子单个加工至100齿的高分辨率型，那么高分辨率型的转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电机半步（普通步进电机半步需要电气细分达到）的分辨率。
电动机构造图∶与转轴成垂直方向的断面图
2 步进电机运转的基本原理
实际上经过磁化后的转子及定子的小齿的位置关系，在此说明如下。 首先解释励磁，励磁就是指电动机线圈通电时的状态。
● A相励磁
将 A 相励磁，会使得磁极磁化成 S 极，而其将与带有 N极磁性的 转子 1 的小齿互相吸引，并与带有S极磁性的转子 2 的小齿相斥， 于平衡后停止。此时，没有励磁的 B相磁极的小齿和带有 S极磁性 的转子 2 的小齿互相偏离 0.72°。以上是 A 相励磁时的定子和转子小齿的位置关系。
● B相励磁
其次由 A 相励磁转为 B 相励磁时，B 相磁极磁化成 N 极，与拥有 S极磁性的转子 2 互相吸引，而与拥有 N极磁性的转子 1 相斥。
也就是说，从 A 相励磁转换至 B 相励磁时，转子转动 0.72°。由此可知， 励磁相位随 A相→ B相→ C相→ D相→ E相→ A相依次转换，则步进电动机以每次 0.72°做正确的转动。同样的，希望作反方向转动时，只需将励磁顺序倒转，依照 A相→ E相→ D相→ C相→ B相→ A相励磁即可。
0.72°的高分辨率，是取决于定子和转子构造上的机械偏移量，所以不需要编码器等传感器即可正确的定位。下图就5相步进每次的位移量是0.72°进行更详细的说明：
由于第一组定子正好与转子相对应吸引。就势必会导致第二组定子与对应的转子相偏离（定子与转子齿距一样，但是各自所在的2个圆不一样大）。而这个偏离值正好是齿距的十分之一。因此普通5相步进的步距角为：360°/50齿/10=0.72°
高分辨率5相步进的步距角为：360°/100齿/10=0.36°
另外，就停止精度而言， 会影响的只有定子与转子的加工精度、组装精度、及线圈的直流电阻的不同等而已，因此可获得 ±3 分（无负载时）的高停止精度。 实际上步进电动机是由驱动器来进行励磁相的转换，而励磁相的转换时机则是由输入驱动器的脉冲信号所进行。以上举的是 1相位励磁的例子，实际运转时，为有效利用线圈同时进行 4相或 5相励磁的。
3 步进电机运行的特征
1、运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机
以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器，目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。
2、运转量与脉冲数的比例关系
3、运转速度与脉冲速度的比例关系
4、本身具有保持力
步进电机只有在通电状况下，才具备自我保持力。在停电状况下 ，自我保持力消失。
因此在升降设备传动时，务必使用附电磁刹车型步进电机。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下就能使用。它必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。但是万丈高楼平地起，从步进电机的基础开始学习，无疑为将来的应用打好扎实的基础。
常用的步进电机专业术语解释
近二十年来，步进电机有很大的发展，各项性能指标有了很大的提高，而其中主要的频率指标的提高，这一方面从改善电动机元件本身的结构、设计和工艺来达到，同时也从驱动器的改进来获得。
目前小步距步进电机的最高启动频率大约可以达到2000~5000步/秒，最高运行频率可以到达16000步/秒，而在驱动器采用所谓“细分”线路时，最高运行频率可以达到160000/秒或更高一些。
步距角： 是指的理论值或平均值，即每输入一个电脉冲信号时转子转过的角度称为步进角。步进角的大小可直接影响电机的运行精度。
精度： 通常指的是最大步距误差或最大累积误差，直接用机械角度或步距的百分数来表示。步距误差和累积误差是两个概念，在数值上也就不一样，这就是说精度的定义没有完全统一起来。从使用的角度看，对多数情况来说，用累积误差来衡量精度比较方便。最大累积误差，是指从任意位置开始，经过任意步之间，角位移误差的最大值。由于步进电机转过一圈以后，转子的运动有重复性，所以精度的定义，可以认为是在一圈范围内，任意步之间转子角位移误差的最大值。
转矩：保持转矩（或定位转矩），是指绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超过一定值时的转矩值。通常反应式步进电机的保持转矩为零，除非具有特殊的产生保持转矩的装、I.若千类型的永磁式步进电机，具有一定的保持转矩。
相数：电机内部线圈的组数。电机的相数不同其补距角也不同
整步：最基本的驱动方式，这种驱动方式的每个脉冲使电机移动一个基本步距角。
例如：标准两相电机的一圈共有 200 个步距角，则整步驱动方式下，每个脉冲使电机移动 1.8。
半步：在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一个脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继续处在激磁状态，则电机转轴将移动半个基本步距角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后两相激磁，步进电机将以每个脉冲半个基本步距角地方式转动
细分：细分就是指电机运行时的实际步距角是基本步距角的几分之一。例如，驱动器工作在 10 细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8度；而用细分驱动器工作在 10 细分状态时，电机只转动了 0.18。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。
保持转距：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。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，所以保持力矩就成为衡量步进电机的最重要参数之一。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。
制动转矩：是指步进电机在没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。在国内没统一的翻译方式，容易使大家产生误解。
启动矩频特征：在给定驱动的情况下，负载的转动惯量一定时，启动频率同负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵入特性。
运行矩频特征：在负载转动惯量不变时，运行频率同负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。
空载启动频率：指步进电机能够不失步启动的最高脉冲频率。
静态相电流：电机不动时每相绕组允许通过的电流，即额定电流。
静转矩：是指不改变控制绕组通龟状态，即转子不转情况下的电磁转矩。它是绕组内的电流及失调角的函数，当绕组内电流的值不变时，静转矩与失调角的关系称为矩角特性。对应于某一失调角时，静转矩的值为最大，称为最大静转矩Mk），它的值取决于通电状态及绕组内电流的值。
动转矩：是指转子转动情况下的最大输出转矩值。它与运行的频率有关。
晌应频率：在某一频率范围内，步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。通常用起动频率（介）来作为衡量的指标，它是能不丢步地起动的极限频率，有时也叫做突跳频率。对于一定的电动机及一定的驱动器情况，起动频率的值与负载的大小有关，负载的大小包含负载转矩和负载转动惯量二方面的含义。
运行频率（或连续频率）：是指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。它的值也与负载的大小有关。很显然，在同样负载情况下，连续频率（f.）的值高于响应频率或起动频率（了，）的值。步进电机作为伺服电动机或驱动电动机，它的主要技术指标包括：步距，输出转矩，起动0率，运行频率，精度以及效率等。由于步进电机用在数字程序控制系统内，这种系统的工作速度，取决于电动机的控制频率，用每秒脉冲数（或每秒步数）来衡量，所以步进电机的频率指标常常特别重要。至于主要要求起动频率还是运行频率指标，则要看系统的具体情况而定，有的系统经常带着固定的负载，要求恒定的工作速度，不允许工作速度有变化，例如“作孔机”（纸带穿孔机）就是这样，步进电机应用于这种系统时，主要要求负载情况下起动频率指标，运行频率指标在这里就没有什么意义，相反在另外一些系统内，工作的速度可以并且要求有变化，例如数控机床就是这样，在这种情况下主要就是运行指标了。
原作者：imotolab
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