工業(yè)控制領域，很多工業(yè)設備的運動離不開步進電機。步進電機是將電脈沖信號，轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，又稱為步進馬達、脈沖電機、步進電動機。步進電機是將電脈沖信號，轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。步進電機的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，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，同時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。當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，它就可以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”。

　　圖1、步進電機原理簡圖步進電機基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩，步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步，因而只要控制脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉角、速度和方向。步進電機在工作時的位置和速度信號不反饋給控制系統(tǒng)，所以不需要反饋電路，這就使得步進電機控制簡單、精度高，當您希望將轉子驅動至指定位置時，非步進電機需要根據反饋電路來確定轉子的位置。但是，步進電機卻不需要這些反饋，因為它可以簡單地執(zhí)行多個步進。實際運用中步進電機與控制器是不可分割的整體，通過MCU產生的控制脈沖信號是弱電信號，需要經過驅動電路功率放大后才可以作用在電機的繞組上，使繞組按一定順序通電。只要各相繞組按既定的順序輪流通電，步進電機就能產生所需的步進運動。步進電機多用于數字式計算機的外部設備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝。

　　圖2、不需要反饋電路的步進電機(圖源：東芝)

　　步進電機有很多種分類標準，按輸出功率對電機進行分類時，步進電機如下圖所示，功率范圍是1W~1000W。步進電機可以實現(xiàn)較大的輸出轉矩，因此能直接帶動較大負載，適合部分大功率的控制應用。

　　圖2、按輸出功能分類的電機(圖源：東芝)

　　按電源對電機進行分類時，步進電機屬于直流電機分類中的特殊一項，由于步進電機沒有換相碳刷，轉動是靠步進驅動給的旋轉磁場，因此理論上步進電機也可以算是一種直流無刷電機。

　　圖3、按電源分類的電機(圖源：東芝)

　　當然，除了功率和供電電源方式外，電機系統(tǒng)還有其他基于電機結構和旋轉原理的分類方式。比如步進電機有兩種類型，分別是單極型和雙極型。在相同電流且相同轉矩輸出的條件下，單極型步進電機比雙極型步進電機多一倍的線圈，成本更高，控制電路的結構也不一樣，目前市場上流行的大多是雙極型步進電機。

　　圖4、單極型和雙極型步進電機(圖源：東芝)

　　步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的，通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。因此步進電機在構造上通常按照轉子特點和定子繞組數量進行分類。 比如按定子數量來分類時，若有兩個定子，則稱為“2相電機”;若有三個定子，則稱為“3相電機”;若有五個定子，則稱為“5相電機”。最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。2相電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍(0.007°/微步)，由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低，同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

　　圖5、2相步進電機(圖源：東芝)

　　當步進電機按轉子類型進行分類時，可以分為由永磁體制成的轉子(PM型)、帶轉子齒的齒輪形轉子(VR型)以及與永磁體組合的齒輪形轉子(HB型)等幾類。

　　圖6、按轉子類型分類的步進電機(圖源：東芝)

　　以PM型步進電機為例，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，每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它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，所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

　　圖7、PM型步進電機工作原理

　　步進電機和其它電機比較優(yōu)缺點都非常的突出，簡單來說，步進電機的優(yōu)點包括電機操作簡單，易于通過脈沖信號輸入到電機進行控制;不需要反饋電路來反饋旋轉軸的位置和速度信息(開環(huán)控制);由于沒有接觸電刷可靠性更高。當然，在諸多優(yōu)點的襯托下，步進電機的缺點也同樣直接，例如需要脈沖信號輸出電路;當控制不適當的時候，可能會出現(xiàn)同步丟失現(xiàn)象;由于在旋轉軸停止后仍然存在電流而產生熱量。

　　圖8、步進電機優(yōu)缺點

　　步進電機工作時的位置和速度信號不反饋給控制系統(tǒng)，開環(huán)控制簡單可靠，加上檢測反饋環(huán)節(jié)，可構成高性能的閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果電機工作時的位置和速度信號反饋給控制系統(tǒng)，那么它就屬于伺服電機。相對于伺服電機，步進電機的控制相對簡單，但不適用于精度要求較高的場合。具體來講，有以下優(yōu)點：1、步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度(稱為步距角)轉動，轉動的速度和脈沖的頻率成正比，有比較寬的轉速范圍。2、步進電機步距角穩(wěn)定，只與電機結構等有關，不受電壓、電流、溫度等各種干擾因素影響。結構簡單，使用維修方便，制造成本低。3、步進電機的轉動角度與控制脈沖的數目成正比，沒有累積誤差，每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性。4、步進電機動態(tài)性能好，瞬間啟動和急速停止、正反轉及變速都能在少數控制脈沖內完成。步進電機改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動的方向。 5、步進電機體積小，在狹窄的空間內仍可順利安裝，在中低速時具有較大轉矩，能夠比相同級別的伺服電機提供更大的扭矩輸出。步進電機帶動負載慣量的能力大，也可以極低速的同步旋轉，適用于中小型機床和速度精度要求不高的地方。6、步進電機由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命。7、三相步進電機的步進角度為7.5度，一圈360度，需要48個脈沖完成。

　　圖9、步進電機爆炸圖

　　步進電機的缺點也很明顯：1、步進電機如果控制不當容易產生共振，噪音比其他微電機都高，效率較低。2、步進電機不能直接使用交流或直流電源，需要適當的驅動電源才能運行。3、步進電機帶負載慣量的能力不強，難以運轉到較高的轉速，難以獲得較大的轉矩。4、步進電機可能出現(xiàn)低頻振蕩和失步。5、步進電機在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。6、步進電機超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。、7、步進電機銅損鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且比一般交流電機嚴重。

　　8、步進電機由于受到自身制造工藝的限制，如步距角的大小由轉子齒數和運行拍數決定，但轉子齒數和運行拍數是有限的，因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的，步進的分辨率低、缺乏靈活性，物理裝置容易疲勞或損壞。

　　圖10、各種步進電機用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機由步距角(涉及到相數)、保持轉矩、電流三大要素組成。確定這三大要素，便能確定步進電機的型號。步進電機選型時可以參考以下步驟進行：1、判斷需多大步距角電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率(當量)換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度(包括減速)，電機的步距角應等于或小于此角度。永磁式步進電機一般為兩相(雙極性)和四相(單極性)，步距角一般為3.6度、7.5度、15度、18度，其中7.5度最常見;混合式步進電機分為兩相、三相和五相：兩相、四相電機步矩角一般為1.8度和0.9度、三相步距角一般為1.2度，而五相步矩角一般有0.36度/0.72度。反應式步進電機一般為三相，步距角一般為1.5度/3度 ，但噪聲和振動都很大，在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰。 兩相步進電機成本低，低速時的震動較大，高速時力矩下降快，適用于高速且對精度和平穩(wěn)性要求不高的場合;三相步進電機振動比兩相步進電機小，低速性能好于兩相步進電機，最高速度比兩相步進電機高百分之30至50，適用于高速且對精度和平穩(wěn)性要求較高的場合;5相步進電機步距角更小，低速性能好于3相步進電機，但成本偏高，適用于中低速段且對精度和平穩(wěn)性要求較高的場合。2、判斷需保持轉矩保持轉矩也叫靜力矩，是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。由于步進電機低速運轉時的力矩接近保持轉矩，而步進電機的力矩隨著速度的增大而快速衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以說保持轉矩是衡量步進電機負載能力最重要的參數之一。比如，一般不加說明地講到1N.m的步進電機，可以理解為保持轉矩是1N.m。靜扭矩是選擇步進電機的主要參數之一，負載大時，需采用大力矩電機，力矩指標大時，電機外形也大。最簡單的方法是在負載軸上加一杠桿，用彈簧秤拉動杠桿，拉力乘以力臂長度即是負載力矩?；蛘吒鶕撦d特性從理論上計算出來。由于步進電機是控制類電機，所以目前常用步進電機的最大力矩不超過45N.m ，力矩越大，成本越高，如果您所選擇的電機力矩較大或超過此范圍，可以考慮加配減速裝置。步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= Ω·M Ω=2π·n/60P=2πnM/60P=2πfM/400(1.8°電機半步工作)其中P為功率，單位為瓦;Ω為每秒角速度，單位為弧度;n為每分鐘轉速;M為力矩單位為牛頓·米;f為每秒脈沖數(簡稱PPS)。步進電機的保持轉矩，近似于傳統(tǒng)電機所稱的“功率”。當然，有著本質的區(qū)別。步進電動機的物理結構，完全不同于交流、直流電機，電機的輸出功率是可變的。通常根據需要的轉矩大小(即所要帶動物體的扭力大小)，來選擇哪種型號的電機。選擇步進電機時，在最大同步轉矩以內，選用根據運行速度NM(f2)與必要轉矩TM表示的運行區(qū)域內的電機。安全系數Sf的基準值對象組合產品安全系數(基準值)

對象組合產品	安全系數(基準值)
2相5相步進電機	2
	1.2─2

　　大致說來，扭力在0.8N.m以下，選擇20、28、35、39、42(電機的機身直徑或方度，單位：mm);扭力在1N.m左右的，選擇57電機較為合適。扭力在幾個N.m或更大的情況下，就要選擇86、110、130等規(guī)格的步進電機。步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的保持轉矩。保持轉矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動(一般是低速)時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行時只要考慮摩擦負載。一般情況下，保持轉矩應為摩擦負載的2-3倍為好，保持轉矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來(幾何尺寸)。選取時且勿走入只看保持轉矩這一個指標的誤區(qū)，也就是說并非保持轉矩越大越好，要和速度指標一起考慮。根據負載最大力矩和最高轉速這兩個重要指標，再參考〈矩 - 頻特性〉，就可以選擇出適合自己的步進電機。如果您認為自己選出的電機太大，可以考慮加配減速裝置，這樣可以節(jié)約成本，也可以使您的設計更靈活。要選擇好合適的減速比，要綜合考慮力矩和速度的關系，選擇出最佳方案。3、判斷轉速

　　確定步進電機的最高運行轉速。轉速指標在步進電機的選取時至關重要，步進電機的特性是隨著電機轉速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多參數有關，如 : 驅動器的驅動電壓、電機的相電流、電機的相電感、電機大小等等，一般的規(guī)律是：驅動電壓越高，力矩下降越慢;電機的相電流越大，力矩下降越慢。因為，電機的輸出轉矩，與轉速成反比。就是說，步進電機在低速(每分鐘幾百轉或更低轉速，其輸出轉矩較大)，在高速旋轉狀態(tài)的轉矩(1000轉/分-9000轉/分)就很小了。當然，有些工況環(huán)境需要高速電機，就要對步進電動機的線圈電阻、電感等指標進行衡量。選擇電感稍小一些的電機，作為高速電機，能夠獲得較大輸出轉矩。反之，要求低速大力矩的情況下，就要選擇電感在十幾或幾十mH,電阻也要大一些為好。步進電機應用于低速場合，轉速不超過1000轉/分，最好在150-450RPM間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。轉速要求高時，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入，且在選擇驅動器時采用較高供電電壓。還要考慮留有一定的(如百分之30 )力矩余量和轉速余量。4、選擇合適的電流保持轉矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流，應在曲線以下。一般電流0.5A以內的適用于300RPM以內，電流1A以上的適用于300RPM以上。5、電機的安裝規(guī)格如57、86、110等，主要與力矩要求有關。轉動慣量大的負載應選擇大機座電機。特殊規(guī)格的步進電機，得和原廠溝通，在技術允許的范圍內，加工訂貨。例如，步進電機出軸的直徑、長短、伸出方向等。 6、確定加減速常數選擇步進電機時，用運行速度NM與必要轉矩TM表示的運行區(qū)域需控制在最大同步轉矩以內。但是控制器輸出的脈沖信號，其加減速時的脈沖速度為階梯狀變化，劇烈加減速時段差會增大。因此，在大負載轉動慣量的條件下，即使指示進行劇烈加減速也可能無法運行。為使得選用的電機運行更正確，請確認其加減速常數在下表的參考值以上。加減速常數(結合EMP系列的參考值)對象組合產品安裝尺寸加減速常數TRS [ms/kHz]

對象組合產品	安裝尺寸	加減速常數TRS [ms/kHz]
5相步進電機	20、28、42、60	20以上
	85 (90)	30以上
2相步進電機	20、28 (30)、35、42、 50、56.4、60	50以上
	85 (90)	75以上
	28(30)、42、60、85(90)	0.5以上*

　　表示無需確認此項目。表中的數值為EMP系列設定的下限值。減速機型時也是上述加減速常數。但是，在使用半步，微步時需進行以下?lián)Q算。

　　TRS – 加減進常數[ms/kHz];

　　– 步距角 [°] ;

　　– 參照下表;i – 減速機型的減速比

對象組合產品	安裝尺寸	慣性比
2相5相步進電機	20、28、35	5以下
	42、50、56.4、60、85	10以下
	28、42、60、85	30以下

　　慣性比的確認

　　慣性比按以下計算式計算。慣性比 = JL / J0式中：J0 – 轉子轉動慣量[kg·m2] ;JL – 全負載轉動慣量[kg·m2] ;采用減速電機時，慣性比 = JL / (J0 ·i2 )式中：J0 – 轉子轉動慣量[kg·m2] ;JL – 全負載轉動慣量[kg·m2] ;i – 減速比若步進電機的慣性比大，則起動、停止時的過沖現(xiàn)象與回沖現(xiàn)象也變大，因而會影響起動、穩(wěn)定時間。但是，控制器輸出的脈沖信號，其加減速時的脈沖速度為階梯狀變化，劇烈加減速時段差會增大。因此，若慣性比較大可能導致無法運行。為使得選用的電機運行更正確，請確認其慣性比在下表的參考值以下。慣性比(參考值)對象組合產品安裝尺寸慣性比

　　2相5相步進電機20、28、355以下

　　42、50、56.4、60、8510以下

　　28、42、60、8530以下

　　若超過表中數值范圍時，建議使用減速機型。7、確定定位精度和振動方面的要求情況

　　判斷是否需細分，需多少細分，根據電機的電流、細分和供電電壓選擇驅動器。高精度時，應通過機械減速、提高電機速度或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機。由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V電壓外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值，可根據驅動器選擇驅動電壓(建議：42電機采用直流12V-24V，57電機采用直流24-36V)。當然，12V的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源，不過要考慮溫升。8、確定“空起頻率”步進電機空載起動頻率，通常稱為“空起頻率”。這是選購電機比較重要的一項指標。如果要求在瞬間頻繁啟動、停止，并且，轉速在1000轉/分鐘左右(或更高)，通常需要“加速啟動”。如果需要直接啟動達到高速運轉，最好選擇反應式或永磁電機。這些電機的“空起頻率”都比較高。

　　圖11、步進電機9、發(fā)熱耗損方面的考慮步進電機長時間連續(xù)運行的話，會致使溫度上升，超過電機內部的耐熱等級130(B)溫度，使得絕緣性能劣化。隨運行速度、負載條件及安裝狀態(tài)等條件不同，上升的溫度也會發(fā)生變化。請以運行占空比50%以下為基準進行選型。運行占空比超過50%時，請選擇轉矩較為充裕的電機，并采用降低運行電流的使用方法。運行占空比=(運行時間/(運行時間+停止時間))×10010、針對步進電機使用環(huán)境來選擇特種步進電機能夠防水、防油，用于某些特殊場合。例如水下機器人，就需要放水電機。對于特種用途的電機，就要針對性選擇了。11、如有必要最好與廠家的技術工程師進一步溝通與確認型號，以便于確認你要選擇的步進機電能否滿足你所要求各方面的指標。

　　圖12、步進電機選型參數圖12、應遵循先選電機后選驅動器原則步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。先明確負載特性，再通過比較不同型號步進電機的靜力矩和矩頻曲線，找到與負載特性最匹配的步進電機;精度要求高時，應采用機械減速裝置，以使電機工作在效率最高、噪音最低的狀態(tài);避免使電機工作在振動區(qū)，如若必需則通過改變電壓、電流或增加阻尼的方法解決。電源電壓方面，建議57電機采用直流24V-36V、86電機采用直流46V、110電機采用高于直流80V;大轉動慣量負載應選擇機座號較大的電機;大慣量負載、工作轉速較高時，電機應采用逐漸升頻提速，以防止電機失步、減少噪音、提高停轉時的定位精度;鑒于步進電機力矩一般在40Nm以下，超出此力矩范圍，且運轉速度大于1000RPM時，即應考慮選擇伺服電機，一般交流伺服電機可正常運轉于3000RPM，直流伺服電機可可正常運轉于10000RPM。電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速。一電機不失步，二可以減少噪音、同時可以提高停止的定位精度。

　　圖13、步進電機及其驅動器13、選擇驅動器和細分數電機在90RPM以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。最好不選擇整步狀態(tài)，因為整步狀態(tài)時振動較大;盡量選擇小電流、大電感、低電壓的驅動器;配用大于工作電流的驅動器、在需要低振動或高精度時配用細分型驅動器、對于大轉矩電機配用高電壓型驅動器，以獲得良好的高速性能;在電機實際使用轉速通常較高且對精度和平穩(wěn)性要求不高的場合，不必選擇高細分數驅動器，以便節(jié)約成本;在電機實際使用轉速通常很低的條件下，應選用較大細分數，以確保運轉平滑，減少振動和噪音;總之，在選擇細分數時，應綜合考慮電機的實際運轉速度、負載力矩范圍、減速器設置情況、精度要求、振動和噪聲。步進電機一些驅動芯片選型

　　全球步進電機原廠有美國Lin Engineering、美國ElectroCraft、美國Applied Motion Products、德國Phytron、瑞士Portescap、日本信濃、日本美蓓亞、日本尼得科、日本山洋電氣/SANMOTION、日本東方馬達、日本多摩川、日本三美、深圳雷賽智能、上海鳴志、重慶優(yōu)摩特、深圳立三機電、佛山藤尺機電、深圳智創(chuàng)電機、深圳永坤、科力爾、惠利普、中菱科技、萬至達等。碎片化的工控元器件市場，以終端產品會長期運行在極高/低溫、高濕、強鹽霧和電磁輻射的惡劣環(huán)境中為前提，所以在穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面要求會比商業(yè)級高。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數年已積累了豐富的工業(yè)芯片的優(yōu)勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產業(yè)供需略盡綿薄之力。

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