一文读懂步进电机（必须收藏）

1、读懂步进电机（必须收藏）选需要考虑的问题：1、转速2、转矩3、加速响应时间4、性价5、矩频特性6、精度要求7、运性能，处理加速减速问题，丢步问题8、过载保护能9、转速和平稳度的配合问题（低速平稳选步进，速平稳选伺服）步进电机-stepping motor步进电机称脉冲电机，它是种感应电机，涉及到机械、电机、电及计算机等许多专业知识。步进电机作为执元件，是机电体化的关键产品之，泛应在各种动化控制系统中。随着微电和计算机技术的发展，步进电机的需求量与俱增，在各个国民经济领域都有应。什么是步进电机步进电机是种将电脉冲转化为位移的执机构。其将电脉冲信号转变为位移或线位移，是现代数字程序控制系统中的主要

2、执元件，应极为泛。步进电机控制系统由步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机三部分组成，步进电机控制器是指挥中，它发出信号脉冲给步进电机驱动器，步进电机驱动器把接收到信号脉冲脉冲转化为电脉冲驱动步进电机转动，控制器每发出个信号脉冲，步进电机就旋转个度,它的旋转是以固定的度步步运的。控制器可以通过控制脉冲数量来控制步进电机的旋转度，从准确定位。通过控制脉冲频率精确控制步进电机的旋转速度。步进电机的结构及作原理通常电机的转为永磁体，当电流流过定绕组时，定绕组产量磁场。该磁场会带动转旋转度，使得转的对磁场向与定的磁场向致。当定的量磁场旋转个度。转也随着该磁场转个度。每输个电脉冲，电动机转动个度前进步

3、。它输出的位移与输的脉冲数成正、转速与脉冲频率成正。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可控制脉冲数量、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。我们般的步进电机是这样的：他的结构图般是这样的：那么这个AC，BD代表什么呢？步进电机为什么具有以上的那些特点呢？这就要从步进电机的特殊结构说起。先上个步进电机内部的结构意图：先从这个简单的图分析原理，图中有两组绕组A A-，B B-，可以看出他们分别形成的磁场是相反的，位置也是相对的。这2组绕组对应真实图中的AC和BD。定为铁芯，A A-，B B-绕在铁芯上，通电之后产磁场变成电磁铁，转为永磁体，磁场将对转产吸引或者排斥。左上图A A-

4、吸引转，使得转竖直（此时只有A A-通电）当B B-也通电后，B B-也产磁场，此时转将像A B中间区域偏转，具体偏转度跟A B上电流例有关。左下图此时A A-断电，B B-继续通电，则转被吸引到平位置。右下图此时A A-反向通电，B B-继续通电，则转顺时针旋转，重复以上过程，则转可以进旋转运动，并控制通电的时机以及顺序，便可以达到控制步进电机旋转度。定铁：定铁为凸极结构，由硅钢迭压成。在向隙的定铁表有齿距相等的齿。定绕组：定每极上套有个集中绕组，相对两极的绕组串联构成相。步进电动机可以做成相、三相、四相、五相、六相、相等。转：转上只有齿槽没有绕组，系统作要求不同，转齿数也不同。定转齿形相同

5、。原理当步进电机切换次定绕组的激磁电流时，转就旋转个固定度即步距。步距般由切换的相电流产的旋转矩得到，所以需要每相极数是偶数。步进电机通常都为两相以上的，当然也有些特殊的只有个线圈的单相步进电机。虽说单相，实为个线圈产的磁通向交互反转驱动转转动。实的步进电机的相数有单相、两相、三相、四相、五相。现在使的步进电机部分永磁转。普遍使永久磁铁的原因是效率，分辨率等优点。以下以介绍永磁转为主。决定步距的因素步进电机分辨率（圈的步数，360除以步距）越，位置精度越。为了得到分辨率，设计的极数要多。PM型转为N与S极在转的铁外表上交互等节距放置，转极数为N极与S极数之和，为简化讲解，假设极对数为1。此处确

6、定转为永久磁铁的步进电机的步距s由下式表，其中Nr为转极对数，P为定相数，s=180/PNr上式的物理含义如下：转旋转周的机械度为360。如极数2Nr去除，相当于个极所占的机械度即180/Nr。这就是说，个极的机械度定相数去分割就得到步距，此概念如下图所。由式s=180/PNr可知，步距越，分辨率越，因此要提步进电机的分辨率，就要增加转极对数或采定相数P较多的多相式法。Nr的增加受到机械加的限制，所以要制造分辨率的步进电机需要两种法并才。公式如下：驱动器原理步进电机需要使专的步进电机驱动器驱动，驱动器由脉冲发控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。功率驱动单元将脉冲发控制单元成的脉冲放，与步进

7、电机直接耦合，属于步进电机与微控制器的功率接。控制指令单元，接收脉冲与向信号，对应的脉冲发控制单元对应成组相应相数的脉冲，经过功率驱动单元后送到步进电机，步进电机在对应向上转过个步距。驱动器的脉冲给定式决定了步进电机运式，如下：（1）相单拍运（2）相双拍运（3）相单、双拍运（4）细分驱动，需要驱动器给出不同幅值的驱动信号步进电机有些重要的技术数据，如最静转矩、起动频率、运频率等。般来说步距越，电机最静转矩越，则起动频率和运频率越，所以运式中强调了细分驱动技术，该式提了步进电机的转动矩和分辨率，完全消除了电机的低频振荡。所以细分驱动器驱动性能优与其他类型驱动器。步进电机的种类前常的有三种步进电机

8、：反应式步进电机(VR)。反应式步进电机结构简单，产成本低，步距；但动态性能差。永磁式步进电机。永磁式步进电机出，动态性能好；但步距。混合式步进电机(HB)。混合式步进电机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距，出，动态性能好，是前性能最的步进电动机。它有时也称作永磁感应式步进电动机。反应式步进电机反应式步进电机（VR），是种传统的步进电机，由磁性转铁芯通过与由定产的脉冲电磁场相互作产转动。反应式步进电机作原理较简单，转上均匀分布着很多齿，定齿有三个励磁绕阻，其何轴线依次分别与转齿轴线错开。电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成对应关系。向由导电顺序决定。永磁步进电机永磁式步

9、进电机（PM），是由磁性转铁芯通过与由定产的脉冲电磁场相互作产转动的种设备。永磁式步进电机般为两相，转矩和体积较，步进般为7.5度或15度，对7.5度步矩，典型的极数为24。电机有转和定两部分：可以是定是线圈，转是永磁铁；也可以是定是永磁铁，转是线圈。在这种电机，定齿或极由在定线圈流过的电流产不同极性的磁场。若两个定段的转磁化状态是对齐的，则两段的定齿将错开l4齿距。观看A段转磁极和定齿的位置关系。因为B段的定齿相对A段的齿错开l4齿距，故转将在同向进步受到驱动。如当电机的转为永磁体，电流流过定绕组时，定绕组会产量磁场。磁场就会带动转旋转个度，使得转的对磁场向与定的磁场向致。当定的量磁场旋转个

10、度。转也随着该磁场转个度。每输个电脉冲，电动机转动个度前进步。它输出的位移与输的脉冲数成正、转速与脉冲频率成正。若改变绕组通电的顺序，电机就会反转。因此可控制脉冲数量、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。当电流流过定绕组时，定绕组产量磁场。该磁场会带动转旋转度，使得转的对磁场向与定的磁场向致。当定的量磁场旋转个度。转也随着该磁场转个度。每输个电脉冲，电动机转动个度前进步。它输出的位移与输的脉冲数成正、转速与脉冲频率成正。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可控制脉冲数量、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。混合式步进电机混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点

11、。它分为两相、三相和五相：两相步进般为1.8度五相步进般为度，混合式步进电机随着相数（通电绕组数）的增加，步进减，精度提，这种步进电机的应最为泛。性能：a.控制精度：步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越。b.低频特性：步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它作在低速时般采阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象。c.矩频特性：步进电机输出矩随转速的升下降，速时会急剧下降。d.过载能：步进电机不具备过载能。e.运性能：步进电机的控制为开环控制，启动频率过或负载过易丢步或堵转的现象，停时转速过易出现过冲现象。f.速度响应性能：步进电机从静加速到作转速需要上百毫秒。步进电机和伺服电机的区别上介绍那么

12、多关于步进电机的知识，家是不是感觉跟我们前期介绍过的伺服电机功能上是否很相似呢，这编为您答疑解惑。步进电机是种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在前国内的数字控制系统中，步进电机的应分泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中多采步进电机或全数字式交流伺服电机作为执电动机。虽然两者在位置控制式上分相似（脉冲串和向信号），但在使性能和应场合上存在着较的差异。现就者的使性能作较。、步进电机和伺服电机控制精度不同两相混合式步进电机步距般为1.8，三相混合式步进电机步距为1.2。也有些性能的步进电机步距更

13、。如上海运控产的两相HM系列步进电机有步距为0.9，步进电机在使细分驱动技术以后，控制精度得到提，两相步进电机可以分辨的步数约为8000步/转，三相步进电机可以分辨的精度约为10000步转。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。对于带标准2500线编码器的伺服电机，由于驱动器内部采了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。值得注意的是，分辨率与精度是不同的概念，如雕刻机的铭牌上坑农写到雕刻精度0.001mm，这其实雕刻机并不能把分成100等分排列成条直线，在放镜下观察，雕刻出来的结果必然是锯齿状的。相对于绝多数户，论是机械传动精度，还是光电传感器来定位精度，都没有

14、步进电机伺服电机的物理精度，单追求电机的最精度是没有必要的。、步进电机和伺服电机矩频特性不同步进电机的输出矩随转速升下降，且在较转速时会急剧下降，所以其最作转速般在0900RPM。交流伺服电机为恒矩输出，即在其额定转速（般为10003000RPM）以内，都能输出额定转矩。伺服电机输出矩的矩频特性平稳，优势体现在需要速度较的环境，在低速时，这个优势并没有意义，以57HB76步进和60系列400W伺服电机来较，矩频特性如下：如上图所红为伺服电机矩频特性，蓝部分为运控三相混合式步进电机矩频特性，者价格相差4倍三、步进电机和伺服电机过载能不同步进电机般不具有过载能，运控YK2M系列两相步进电机驱动器内

15、置了电流采集和智能处理，过载能也是很有限的。交流伺服电机具有2到3倍的速度过载和转矩过载能，可于克服惯性负载在启动瞬间的惯性矩。步进电机因为没有这种过载能，在选型时必须根据设备的特性，伺服电机可以实现响应频率，如果要达到相似的效果继续选择步进电机，那么要克服这种惯性矩，先要保证步进电机的矩于所需要的矩，然后尽可能优化加减速曲线。四、步进电机和伺服电机运性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过或负载过易出现丢步或堵转的现象，停时转速过易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进采样，内部构成位置环和速度环，般不会

16、出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。伺服电机是闭环系统，伺服驱动器可以动修正丢失的脉冲，在堵转时也可以及时给控制器反馈，步进电机是开环系统，必须通过够的矩余量来避免堵转。五、步进电机和伺服电机速度响应性能不同步进电机从静加速到作转速（般为每分钟百转）需要1002000毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，从静加速到其额定转速3000RPM最短仅需毫秒，可于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在些性能都优于步进电机，但是步进电机有其的特性，不会被完全取代。1、 交流伺服精度略于步进电机，但是多数场合，步进电机的分辨率已经远于机械要求的精度；2、 虽然矩频特性不同，但是并不是所

17、有设备应都是需要速度的，步进电机的低速矩，通常电机转速要求700rpm以内适合使步进电机，更速度适合使交流伺服电机；3、 交流伺服有很强的过载能，但是部分步进电机驱动器也具有定的过载能，且在过载能和保留够矩余量之间可以做个性价的选择；4、 速度响应频率不同，这是选择步进电机和交流伺服电机的个重要因素。响应频率是交流伺服电机的优势。选型时需要注意这特性。5、 前提到了交流伺服电机的精度，部分户并不知道交流伺服电机在分辨率低速度时会反复对位置，以于出现微抖动，在些极精度的设备上，如精密雕刻机，精度低速机器上，这样的抖动会造成圆弧上的锯齿，或者模糊。特殊处理过的步进电机确可以解决这问题，因为步进电机

18、不会反复对齿。6、 在些分度控制的应中，步进电机转到度停，锁定矩较，交流伺服则是在受外位置丢失以后再找回位置，这个过程可能造成加误差。步进电机的些应1、包装机械中的应步进电机控制齿轮泵也可以实现精确计量。齿轮泵在输送粘稠体得到了泛的应，例如糖浆、沙、酒、油料、番茄酱等的输送。齿轮泵计量是靠对齿轮啮合转动计量的，物料通过齿与齿的空间被强制从进料送到出料。动来步进电机，步进电机转动的位置及速度由可编程控制器控制，计量精度于活塞泵的计量精度。步进电机适于在低速下运，当速度加快时，步进电机的噪声会明显加，其它经济指标会显著下降。对于转速较的齿轮泵来说，选升速结构较好。我们在粘稠体包装机上开始采的是步进

19、电机直联齿轮泵的结构，结果噪声难以避免，可靠性下降。后来采直齿轮升速的办法，降低了步进电机的速度，噪声得到了控制，可靠性也有所提，计量度得到了保证。在制袋、充填、封为体的包装机中，要求包装塑料薄膜定位定长供给，论间歇供给还是连续供给，都可以步进电机来可靠完成。采步进电机与拉带滚轮直接连接拉带，不仅结构得到了简化，且调节极为便，只要通过控制板上的按钮就可以实现，这样既节省了调节时间，节约了包装材料。在间歇式包装机中，包装材料的供送控制可以采两种模式：袋长控制模式和标控制模式。袋长控制模式适于不带标的包装膜，通过预先设定步进电机转速的法实现，转空的设定通过拨码开关就可以实现。标模式配备有光电开关，

20、光电开关检测标的位置，当检测到标时，发出控制开关信号，步进电机接到信号后，停转动，延时定时间后，再转动供膜，周复始，保证按照标的位置定长供膜。横封轮每转周的总时间与横封所需要的时间都是恒定的，要满速度同步的要求，可以将步进电机周内的转速分成两部分，部分先满速度同步的要求，另外空载的部分满周总时间的要求。为了实现良好的封质量，还可以通过步进电机对横封轮实现衡速的控制模式，就是在横封的每点上都实现速度同步。2、矿井提升中的应由于步进电机独特的优点，步进电机是将电脉冲信号转变为位移或线位移的开环控制元件。在超载的情况下。电机的转速、停的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，即给电机

21、加个脉冲信号。电机则转过个步距。这线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域步进电机来控制变的常的简单。作为种把数字电脉冲信号转换成机械位移的机电元件。步进电机具有控制简单，功率，维护容易，定位精度，可靠性好，体积，骄动系统多达32种选择。并且价格低，累积位置误差，可锁，控制成本低等特点得到泛应，再加上利现在较成熟的微机技术中单机的应控制。可以轻松实现动控制，以上特点完全符合微拖的要求。并且可以实现矿井提升系统的动控制，实现值守提升系统。矿井提升中步进电机的控制过程是这样的，先提升机减速接近爬阶段，速度降3ms左右时。由动控制系统动接通电磁阀。电磁阀

22、杆在电磁的作下克服阀杆下端弹簧的弹下移，使压缩空由A腔进B腔，通过减速器的空轴进囊离合器。使微拖装置与主机连接起来。当速度继续降爬速度时。通过控制电路切断主电动机动制动电源，提升机改由步进电机拖动进平稳的低速爬。提升容器到达终点，进卸载时，控制电路使电磁阀断电，步进电机与主机脱离，完成次爬过程，接下来进下周期的作。通过改进，提卸载时事故的发率，提煤矿产的安全，并且为煤矿后来进动化产建基础。3、汽车测试中的应许多汽车制动元件的检测，例如液压制动系中制动主缸助器总成的检测，压制动系中制动阀的检测，在测试系统中需要到电机推动滚珠丝杠来模拟在实际汽车制动时踩下制动踏板进制动的过程，滚珠丝杠推动主缸或者

23、制动阀使其达到汽车制动时所需要的各种作状态，以便来测试各种性能。步进电机由于位移与输脉冲严格成正关系，在其运动过程中没有累计误差，跟随性良好，因此选择步进电机是汽车制动元件测试系统中性能较好的执元件。系统硬件组成有位移传感器，传感器，步进电机；控制核采控机和数据采集卡。步进电机通过联轴器驱动滚珠丝杠组成加装置，传感器安装在丝杠顶杆前端，于测量步进电机输出矩被测试件输的，数据经由AD转换送控机处理，控机控制步进电机的启动、前进、后退、停，并按测试程序控制前进和后退的速度，同时由位移传感器测量出步进电机的位移量，并将和位移的相应数据通过显器表出来，根据相关业标准来判断制动阀的合格与否。般采软件延时

24、的法来对步进电机的运速度、步数及向进控制，根据计算机所发出脉冲的频率和数量所需的时间来设计个程序，该程序包含定的指令，设计者通常要对这些指令的执时间进严密的计算或者精确的测试，以便确定延时时间是否符合要求，每当程序结束后，可以执下的操作。采软件延时式时，CPU直被占，CPU利率低，这在许多场合是常不利的。因此需要重新设计对步进电机的控制程序，采PCL-812PG数据采集卡，利812PG卡中带可编程计数定时器8254及其他逻辑电路器件设计种步进电机控制式，仅需要条简单的指令就可以产具有定频率和数的脉冲信号。可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某固定频率的时钟脉冲进计数，计数值则由编程决定当计数

25、到预定的脉冲数时，给出定时时间到的信号，得到所需的延时时间或定时间隔，由于计数的初始值由编程决定，因在不改动硬件的情况下，只通过程序的变化即可满不同的定时和计数要求，因此使很便。步进电机的发展电机为业发展不可缺少的要素，并扮演着重要的。电机的应不仅在动应反不断扩，且在控制领域的使范围也在不断扩。随着控制电机重要性的增加，控制电机的使量也逐年增加。步进电机是种控制电机，不使反馈回路，就能进速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制，不使反馈回路，其应主要以处理办公业务能很强的OA(Office 办公动化机器和FA(FactoryAutomation动化机器为核，并泛的应于医疗器械、计量仪器、汽车、

26、游戏机等。就数量来讲，OA机器的应约占步进电机使总数的75%。虽然步进电机最近被量应，但其原理早已有之。步进电机与电磁铁和柱塞泵同时期开发，法国佛罗曼提出了将电磁铁的吸引转化为旋转矩的法。当时，激磁相的切换机械凸轮的接触点来完成，这就是步进电机的原型。现在还有旋转线圈式的应法。步进电机最早是在1920年才开始实际应，称为VR（Variable Relutance 变磁阻）型步进电机，被英国海军作定位控制和远程遥控。混合式HB(Hybrid 的缩写，是VR与PM复合的意思型步进电机的产，约在1952年，由美国GE公司的Karl Feiertag 开发的发电机演变来。与现在的两相HB型步进电机结构

27、相同，取得了US专利。当初作为低速同步电机使，其后，由美国的Superior Electric 公司和Sigma Instruments公司开发出两相1.8步距的HB型步进电机。当时因为电流、电感、恒电驱动的关系，换相脉冲只有300pps（现在为1020kpps）。另，从驱动电路看，步进电机的发展与晶体管半导体元件的发展密不可分。1950年研制出极管半导体，1964年开发出MOS半导体，1965年出现IC，1967年LSI使化。特别是经过19501965年间半导体材料的速发展，进20世纪70年代，由于价格便宜，可靠性的逻辑数字电路得到泛应，使步进电机的使量急剧增加。本东京学的岛，在1958年的

28、动控制年会上发表了有关VR型步进电机的论。步进电机的国际性学会在1970年成，在美国的伊利诺学找来了第次IMCSD(Incremental Motion Control Systems and 会。此次会由伊利诺学的BC Kuo 教授主板，美国的Warner Electric公司于Westool公司协办。发表的论约2/3来源于企业界，剩下的1/3来源于学。作者的第26届与第29届的IMCSD也发表了有关步进电机的论。在IMSCD发表的论中，有很多是关于步进电机的，从中能了解步进电机的最前沿技术和研究动态，美国的学者和技术员对步进电机进了泛的研究。步进电机的规模应是在1977年，两相步进电机被应

29、于FDD(floppy disk drive 软盘驱动器输出轴的驱动上。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今步进电机已泛运在需要定位精度、分解能、响应性、信赖性等灵活控制性的机械系统中。在产过程中要求动化、省、效率的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机得最多。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在类的产和活进电化过程中起着关键的作。可是在类社会进动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满动化和办公动

30、化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有特点，且应分泛的类便是步进电动机。步进电动机的发展与计算机业密切相关。从步进电动机在计算机外围设备中取代型直流电动机以后，使其设备的性能提，很快地促进了步进电动机的发展。另，微型计算机和数字控制技术的发展，将作为数控系统执部件的步进电动机推应到其他领域，如电加机床、功率机械加机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和极结构的永磁式三类。极电机价格便宜，性能指标不，混合式和磁阻式主要作为分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率，运平稳性较好逐步处于主导地位。国内步进电机驱动器曾长期处于不冷不热状态，但在倡导低碳、节能减排政策的推动下，步进电机驱动器推应必将出现实质性的进展。随着动化控制技术、计算机络通信技术在众多领域中的进步应与发展以及数字化、智能化技术的益发展，步进电机将会在更加深泛的领域中得以应，并且其驱动系统也将随之发展，尤其是智能化应技术向的发展将会成为步进电机下个阶段的发展趋势。直线步进电动机发展趋势直线步进电动机的发展与计算机业存在密切