步进电机的原理结构用法.docx

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步进电机的原理结构用法

步进电机原理、结构、用法

步进电机各相轮流接入整步电流后所产生的步距角叫做该步进电机的基本步距角。

F相步进电机有F个绕组，这F个绕组要均匀地镶嵌在定子上，因此定子的磁极数必定是F的整数倍，

因此，转子转一圈的步数应该是F的整数倍；也就是说：

3相步进电机转一圈的步数是3的整数倍，

4相步进电机转一圈的步数是4的整数倍，5相步进电机转一圈的步数是5的整数倍；如果步进电机的基本步距角为A，

转一圈的步数是M，步进电机的相数是F则有下述关系：

A=360/M　由于上述机械对称原理，M必然是相数F的整数倍,

即：

M=N*F其中N是正整数。

跟据以上分析可以看出，基本步距角是不能取任意值的。

我们往往希望步进电机转一圈为100步或其倍数，

这在2/4相和5相步进电机容易做到，但对于三相步进电机其基本步距角不可能做到转一圈为100步或200步，但可以是300步。

　　　　有些厂家所标的三相步进电机的步距角为1.2度或3度，相当每圈300步或120步，是3的整数倍，这种标注很正常。

有些厂家所标注的三相步进电机的步距角为1.8/0.9/0.72/0.36度，相当每圈200/400/500/1000步，不是3的整数倍，

所以这些厂家所标注的不是步进电机的基本步距角，而是步进驱动器每输入一个步进脉冲时步进电机的转角，或是步进电机转一圈时，

步进驱动器输入的脉冲个数；其实这是步进驱动器带来的功能，厂家标注到步进电机上了；这种标注方法很容易造成迷惑，

甚至有一些步进电机的销售商自己都讲不清楚，我也是看到这些标注后有了怀疑，通过分析得出的结果。

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。

在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。

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

地应用于数字控制系统中。

为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。

虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），

但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。

现就二者的使用性能作一比较。

　　一、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。

也有一些高性能的步进电机步距角更小。

如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，

其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，

兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

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。

以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，

其脉冲当量为360°/10000=0.036°。

对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。

是步距角为1.8°的步进电机的

脉冲当量的1/655。

　　二、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。

振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。

这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器

的正常运转非常不利。

当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，

便于系统调整。

　　三、矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。

交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，

都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

　　四、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的三倍，

可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，

便出现了力矩浪费的现象。

　　五、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，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行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可*。

步进电机主要是依相数来做分类，而其中又以二相、五相步进电机为目前市场上所广泛采用。

二相步进电机每转最细可分割为400等分，五相则可分割为1000等分，

所以表现出来的特性以五相步进电机较佳、加减速时间较短、动态惯性较低。

二相/五相步进电机差异比较：

　  二相步进电机  五相步进电机  

电机构造（请参照图三）  8个主极‧；4相（2相）4极线圈  10个主极‧；5相2极线圈  

分解能  1.8°/0.9°（200、400分割/圈）  0.72°/0.36°（500、1000分割/圈）

较二相步进电机高出2.5倍

分解能。

振动性  100-200PPS之间为低速共振领域，

振动较大  无显著共振点

低振动  

速度—转矩特性  于速度上不及五相步进电机  高速度、高转矩 

六、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，

可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。

所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，

选用适当的控制电机

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。

在目前国内的数字控制系统校浇缁挠τ檬止惴骸Ｋ孀湃质浇涣魉欧低车某鱿郑

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控制精度不同

　　两相混合式步进电机步距角一般为3.6度、1.8度，五相混合式步进电机步距角一般为0.72度、0.36度。

也有一些高性能的步进电机步距角更小。

如四通公司生产的一种用于慢走丝机床

的步进电机，其步距角为0.09度；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8度、0.9度、0.72度、0.36度、0.18度、0.09度、0.072度、0.036度，

兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

　　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。

以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，

其脉冲当量为360度/10000=0.036度。

对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360度/131072=9.89秒。

是步距角为1.8度的步进电机的脉冲当量的1/655。

低频特性不同

　　步进电机在低速时易出现低频振动现象。

振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。

这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器

的正常运转非常不利。

当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

　　交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，

便于系统调整。

矩频特性不同

　　步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。

交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，

都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

过载能力不同

　　步进电机一般不具有过载能力。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的三倍，

可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，

便出现了力矩浪费的现象。

运行性能不同

　　步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，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行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可*。

速度响应性能不同

　　步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，

可用于要求快速启停的控制场合。

3，如何配用步进电机驱动器？

根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。

如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。

对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。

4，2相和5相步进电机有何区别，如何选择？

2相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。

5相电机则振动较小，高速性能好，比2相电机的速度高30~50%，可在部分场合取代伺服电机。

5，何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。

因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。

电机免维护，效率很高，

运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。

大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。

因而适合做低速平稳运行的应用。

6，使用电机时要注意的问题？

上电运行前要作如下检查：

1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）；

2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；

3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。

4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。

5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。

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。

以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，

其脉冲当量为360度/10000=0.036度。

对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360度/131072=9.89秒。

是步距角为1.8度的步进电机的脉冲当量的1/655。

低频特性不同

　　步进电机在低速时易出现低频振动现象。

振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。

这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动

现象对于机器的正常运转非常不利。

当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

　　交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），

可检测出机械的共振点，便于系统调整。

矩频特性不同

　　步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。

交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，

都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

过载能力不同

　　步进电机一般不具有过载能力。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的三倍，

可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，

便出现了力矩浪费的现象。

运行性能不同

　　步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，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行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可*。

速度响应性能不同

　　步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，

可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。

所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，

选用适当的控制电机。

　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

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（及步进角）。

　　您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；同时您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。

　　步进电机分三种：

永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）

　　永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

　　反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

在欧美等发达国家80年代已被淘汰；

　　混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛。

如何正确选择伺服电机和步进电机？

主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：

负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），

主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。

供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。

据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。

2，选择步进电机还是伺服电机系统？

其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。

请见下表，自然明白。

参数步进电机系统伺服电机系统

力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小中大，全范围

速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1~2万转/分

控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式

平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑

精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率）

矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬

过载特性过载时会失步可3~10倍过载（短时）

反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器防止失步闭环方式，编码器反馈

编码器类型光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型

响应速度一般快

耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动）

温升运行温度高一般

维护性基本可以免维护较好

价格低高

3，如何配用步进电机驱动器？

根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。

如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。

对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。

4，2相和5相步进电机有何区别，如何选择？

2相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。

5相电机则振动较小，高速性能好，比2相电机的速度高30~50%，可在部分场合取代伺服电机。

5，使用电机时要注意的问题？

上电运行前要作如下检查：

1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）；

2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；

3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。

4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。

5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。