步进电机的分类

什么是步进电机？

步进电机：也称脉冲电机，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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。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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，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。可以通过控制脉冲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。

基本原理

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

电机开环控制

一种控制电机、不使用反馈回路、就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制。

步进电机开环控制原理

定子一相绕组流过直流电流，最近该相的转子齿被定子相吸引，电磁转矩大于负载转矩从而使转子运动。

电机基本分类

按电压种类分:AC（交流）驱动、DC（直流）驱动。

按旋转速度与电源频率关系分：同步电机、异步电机。

步进电机概要

1.步进电机的地位

步进电机属于：DC驱动的同步电机，但无法直接用DC或AC电源来驱动，需要配备驱动器。

2.步进电机驱动电路的功能

驱动电路任务：按顺序指令切换DC电源的电流流入步进电机的各相线圈。

驱动电路将电机定子与DC电源连接在一起工作。

驱动器（驱动电路）由决定换向顺序的控制电路（或称为逻辑电路）与控制电机输出功率的换相电路（或称为功率电路（Power stage））组成。

1 步进电机的分类

步进电机分为三大类 ：

1)反应式步进电机（VAriABle ReluCtAnCe，简称 VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简洁，成本距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。

2)永磁式步进电机（PermAnent MAgnet），简称 PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步进角比较大，它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。

3)混合式步进电机（HyBrid，简称 HB） 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以供应软磁材料的工作点，而定子激磁只需供应变化的磁场而不必供应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、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的沟通同步机设计的，后来发觉假如各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及掌握系统比较简洁，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。 2

步进电机的简单定义：

步进电机是一种将电脉冲转化为不连续的机械运动的机电装置。

当施加适当的电脉冲指令时，电机转子的出轴或外转子将会以不连续的步进增量旋转。

电机的旋转与施加的脉冲之间有几个方面的直接关系：

首先所加脉冲的顺序直接决定着电机转轴旋转的方向。

其次电机转轴旋转的速度取决于所加脉冲的频率，而旋转的角度或者圈数和所加的脉冲数成正比。

步进电机的优缺点：

优点：

1． 电机旋转的角度正比于脉冲数；

2． 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；

3． 由于每步的精度在3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；

4． 优秀的起停和反转响应；

5． 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；

6．

电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本较低；

7． 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。

8． 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

缺点：

1． 如果控制不当容易产生共振；

2． 难以运转到较高的转速。

开环控制：

步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。这种控制避免了使用昂贵的传感器以及象光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你（转子）的位置。

步进电机的种类

步进电机有三个基本类型，他们分别是：

磁阻变化式/反应式/感应式永磁式

混合式/永磁感应子式

1． 反应式

这种类型的步进电机出现的时间较早，从结构方面讲，这也许是最容易理解的电机。如图1。这种电机由带齿的软磁铁芯转子和带绕组的定子组成。当定子绕组直流电激磁时，相应的极就被磁化。当转子的齿被吸向激磁的定子极时，就产生了旋转。

2． 永磁式

永磁式步进电机是一种低成本、低分辨率形式的步进电机。该电机典型的步距角是从7.5 度到15

步进电机的选型方法

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)

步进电机应用中的注意点

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。