1. 基本原理

步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖(數字信號)轉化為角位移的執行機構。

通常步進電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度 (稱為"步距角")，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。

步進電機輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，改變繞組通電的順序，電機就會反轉。因此：

可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；

可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的；

可以通過控制繞組通電順序，達到控制電機正反轉的目的。

步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 的特點，廣泛應用于各種開環控制。

2. 步進電機分類

2.1 按照定子相數進行分類

x相即有x個繞組。

2.1.1 單相步進電機

單相步進電機的電磁轉矩只在定子電流變換時產生，其平均轉矩比兩相以上的電機小得多，響應脈沖頻率也在100pps(pulse per second)以下，故其用途受到很大限制，只能在響應脈沖頻率比較低的輕載下運行。例如時鐘、車用計時器、水表計數器。

2.1.2 兩相步進電機

上圖所示，定子磁極數為4極，相當于一個繞組占兩個極。

上圖所示，定子磁極數為8極，相當于一個繞組占四個極。

2.1.3 三相步進電機

三相步進電機定子線圈的主極數為三的倍數，故三相步進電機的定子主極數為3、6、9、12等。

2.1.4 四相步進電機

四相步進電機的驅動器結構復雜，成本高，只有特殊用途才使用。

2.1.5 五相步進電機

2.2 按照轉子結構進行分類

2.2.1 永磁式步進電機(Permanent Magnet,PM)

轉子由永磁材料構成。PM型轉子為內轉子型，圓柱形轉子的外表面分布N、S極(外表面無齒)。

單相永磁式步進電機

兩相永磁式步進電機

特點：永磁式步進電機輸出力矩大，動態性能好，但步距角大。

2.2.2 反應式步進電機(Variable Reluctance，VR)

轉子由硅鋼片或電工純鐵棒等導磁體構成，轉子外表面為多齒結構(轉子的齒槽在轉動時產生磁阻變化，故又稱為變磁阻電機)。

當定子線圈通電時，定子磁極磁化，吸引轉子齒而產生轉矩，使其移動一步。

與永磁電機產生磁性吸引轉矩和排斥轉矩相比，反應式步進電機只產生吸引轉矩。

下圖為反應式步進電機的結構。圖中定子上均勻分布了12個磁極，每個磁極相距30°；相差90°的四個線圈組成一相繞組。轉子齒數為8，當一相繞組通電時，其定子極吸引轉子齒，使氣隙磁阻最小，達到靜止位置。

接下來講解其工作原理：

第一步，為第1相線圈的簡化圖，剖面線表示第1相定子激磁，轉子被第1相定子磁極吸引，轉子齒轉到定子磁極之下。

第二步，第1相繞組電流關閉，第2相繞組通電，轉子逆時針旋轉一步(15°=齒節距除以定子相數)，旋轉至第2相定子磁極之下停止。

第三步，同樣給第3相繞組通電，轉子同樣逆時針旋轉15°，與定子第3相磁極相對位置停止。

下一刻，第1相繞組又通電，又由步驟3的轉子位置逆時針旋轉15°到第1相定子磁極下，恢復到第一步狀態。

特點：結構簡單，生產成本低，步距角小。但因反應式步進電機不使用永久磁鐵，其定轉子磁場強度與激磁電流成正比，要想增大磁場強度，就需要很大的激磁電流，因此溫升很高，散熱片也很大，并且動態性能差，效率低，可靠性差。

2.2.3 混合式步進電機(Hybrid Stepping,HS)

混合式步進電機有兩相、三相、五相式，本節以兩相混合式步進電機進行說明。

混合式步進電機的名稱由其轉子結構得來，其轉子是PM型轉子與VR型轉子的復合體。

混合式步進電機的轉子結構為兩個導磁圓盤中間夾著一個永磁圓柱體軸向串在一起，兩個導磁圓盤的外圓齒節距相同，與前述的VR型轉子結構相同，其兩個圓盤的齒錯開1/2齒距安裝，轉子圓柱永磁體軸向充磁，一段為N，另一端為S。

這種電機轉子與前面敘述的PM型轉子從結構來看，PM型轉子的N極與S極分布于轉子外表面，要提高分辨率，就要提高極對數，通常20mm直徑的轉子可配置24極，如再增加極數，會增大漏磁，降低電磁轉矩；而混合式步進電機的轉子N極與S極分布在兩個不同的軟磁圓盤上，因此可以增加轉子極數，從而提高分辨率，20mm的直徑的轉子可配置100極，并且磁極磁化方向為軸向，N極與S極在裝配后兩極磁化，充磁簡單。

與轉子齒對應的定子極，主極內徑有與轉子齒節距相同的小齒，與轉子齒的磁通在氣隙內相互作用，能產生電磁轉矩。

下圖為兩相混合式步進電機的磁路。

下圖為兩相混合式步進電機的工作原理圖。

接下來，以一個實物模型來詳細講解混合式步進電機的工作原理。

下圖是一個雙極性四線兩相混合式的步進電機。

注：在這里可以先不用管什么是雙極性，接著往下看就行。

注：“四線” 就是說明步進電機有四個接線口。

下圖為上述步進電機的轉子結構。

轉子內部如下圖所示，由圖可知，里面由永磁鐵，齒輪帽構成。

齒輪帽本身不帶磁性，但是和永磁鐵挨一起了，就有了磁性。

看完了轉子，我們來分析定子。轉子有50個齒，定子只有48個齒。

從下圖可以看到它其實只有兩個獨立通電的線圈，也就是說這個步進電機是兩相步進電機。

我們將兩個線圈進行標識為A和B,如下圖：

這是給線圈A通電，如下圖：轉子齒是S極，線圈會產生磁場，由于異性相吸，所以紅色的定子齒會和轉子齒相吸引，由于同性互斥，所以黃色的齒會排斥轉子齒。

當給線圈A斷電，線圈B通電后，如下圖：

磁場發生了變化，定子會發生微小的轉動，會轉動1.8度，如下圖：轉子齒是S極，線圈會產生磁場，由于異性相吸，所以藍色的定子齒會和轉子齒相吸引，由于同性互斥，所以綠色的齒會排斥轉子齒。

值得注意的是，這是半步進的驅動方式，走一步是1.8度，如果是兩個線圈同時都通電的話，就是全步進驅動方式了，走一步是0.9度。這樣控制更加精確。

特點：步距角小、輸出力矩大、動態性能好。但結構復雜，成本較高。

2.2 按照驅動方式(雙極驅動/單極驅動)分類

電機按照驅動方式也分單極性步進電機和雙極性步進電機。

簡單來說，如果步進電機的線圈是可以雙向導電的，那么這個步進電機就是雙極性的，相反，如果步進電機的線圈是只允許單向導電的，那么這個步進電機就是單極性的。

下圖中的線圈是可以雙向導電的，所以是雙極性步進電機。

下圖的線圈中間導線總是接電源正極（也有總是接電源負極的），通過改變電源接地的位置來改變電磁場，從而改變轉子轉動角度。

通電后受到電磁場得作用，轉子移動。

此時這個線圈斷電，另一個線圈通電后，轉子又會發生改變。

下圖為單極和雙極的兩相驅動電路及其電壓波形，兩相式通常用兩相激磁方式(通常兩個相同時加激磁電壓)。

比較單極式與雙極式的驅動電路，單極式驅動電路用4個功率管，線圈電流在線圈內單一方向流動。雙極式驅動電路使用功率管的個數為單極式的兩倍，需要8個，線圈電流在線圈內正反向交替流過，Tr1與Tr4或Tr3與Tr2同時且交替導通，Tr1與Tr3即使短時同時導通，也會造成電源短路，產生很大的電流，因此有必要附加防止短路電路。雙極式驅動電路比單極式驅動電路復雜很多。

下圖為單極式步進電機及其線圈不使用中間抽頭，兩個線圈串聯做雙極式驅動的單極式與雙極式的特性曲線。且均采用同一恒電流驅動方式。

由此可看出，一般低速大轉矩的負載使用雙極式驅動，而高速驅動的負載使用單極式驅動。

低速時雙極式的輸出轉矩比單極式約大50%。高速時，因雙極式匝數多的原因，電感變大，使電流減小，從而轉矩減小。

故針對負載的大小、使用速度、加速時間等，有必要合理選擇單極式或雙極式的驅動應用場合。

3. 基本參數

3.1 相數

指定子相數，即可獨立通電的定子電磁圈數，x相即有x個繞組。

3.2 分辨率

步進電機分辨率即步進電機轉子轉一圈(360°)所走的步數，若已知步進電機步距角，可使用360°除以步距角來計算步進電機分辨率。步進電機分辨率越高，位置精度越高。

3.3 步距角(步進角)

為了得到高分辨率，就需要減小步距角。步距角的公式如下所示：

其中，θs為步進電機步距角；P為定子相數；Nr為轉子極對數(即轉子極數除以2)。

注：在反應式步進電機中，步距角不能用上式計算，而是上式的兩倍。即分辨率與永磁式及混合式相比，雖然轉子齒數相同，但反應式只有一半。

注：在混合式步進電機中，Nr為轉子齒數。

上述公式的物理意義為：轉子旋轉一周的機械角度為360°，如用極數2Nr去除，相當于一個極所占的機械角度為180°/Nr。也就是說，一個極的機械角度用定子相數去分割，就得到了步距角，如下圖的HS型步進電機所示。

又由上式可知，要提高步進電機的分辨率，就要增加轉子極對數Nr或增加定子相數P。而增加Nr收到機械加工的限制，所以要制造高分辨率的步進電機需要兩種方法并用。

3.4 定位轉矩(DETENT TORQUE)

是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE在國內沒有統一的翻譯方式，暫且翻譯為定位轉矩。

由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以反應式步進電機沒有定位轉矩。

3.5 保持轉矩(最大靜力矩)

指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。

它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2Nm的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2Nm的步進電機。

一般，最大靜轉矩較大的電機，可以帶動較大的負載轉矩，負載轉矩和最大靜轉矩的比值通常取為0.3～0.5，即TL=(0.3～0.5)Tjmax。

按最大靜轉矩的值可以把步進電機分為伺服步進電機和功率步進電機，前者輸出力矩較小，有時需要經過液壓力矩放大器或伺服功率放大系統放大后再去帶動負載，而功率步進電機的最大靜轉矩一般大于0.05Nm，它不需要力矩放大裝置就能直接帶動負載運動，這不僅大大簡化了系統，而且提高了傳動精度。

3.6 繞線類型

也可理解為驅動方式，有雙極性和單極性。

3.7 額定電流

指電機可以長期連續工作的電流。

3.8 額定電壓

指電機可以長期連續工作的電壓。

3.9 基座尺寸

包括NEMA10、NEMA11、NEMA14、NEMA16、NEMA17。

3.10 矩頻特性

電動機的性能在很大程度上不僅僅取決于矩角特性的形狀，而且取決于矩頻特性，首先需要根據計算出的脈沖速度和運行需要的轉矩，作出速度一轉矩曲線，將該曲線與步進電機生產廠家的矩頻特性曲線比較，若計算曲線在產品特性之下，則可選擇相應的電機和驅動器，步進電機的動態轉矩與驅動器的形式有很大的關系，因而選用時必須了解給出的性能指標是在何種型式的電源及驅動下測定的。

3.11 速度力矩曲線

如上圖所示。為什么步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降？

當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反電動勢越大，在它的作用下，電機相電流隨頻率(或速度)的增大而減小，從而導致力矩下降。

3.12 空載啟動頻率

空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率。如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。

在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。

4. 應用場景

打印機、傳真機、監視攝像機、照明裝置、機器人、醫療器械等。

編輯：黃飛

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