步进电动机的驱动方式

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机。步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用。步进电动机适用于轻型负载、连续旋转、位移精确控制，因其控制简单且精确和耐用性好的显著优点而得到了最广泛的应用，如ATM机、喷绘机、刻字机、传真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。与伺服电动机不同的是，步进电动机没有反馈传感器，每发一个步进脉冲，前进一个固定的步距，而速度是靠步距和脉冲频率控制的。

1.步进电动机的工作原理

图6-37所示为步进电动机实物图，图6-38所示为最常见的两相四拍步进电动机原理示意图。

（1）步进电动机外圈是固定在机壳上的定子，两相步进电动机定子上面有两个线圈绕组AC和BD，用于产生电磁场。依据电磁感应原理，当线圈通电时线圈所在铁芯会产生磁场，至于磁场方向则由电流方向决定。例如，当电流由A相流向C相，则A相产生磁场N极，C相产生磁场S级；当电流由C相流向A相，则C相产生磁场N极，而A相产生磁场S级；当线圈断电时磁场立即消失。BD绕组产生电磁场的原理与AC绕组类似。简言之，定子是由两个空间上90°交叉的电磁铁形成，每个电磁铁的N极和S极是由该磁铁的线周绕组中电流的流向决定的。

图6-38　最常见的两相四拍步进电动机原理示意图

（a）电流由A到C；（b）电流由B到D；（c）电流由C到A；（d）电流由D到B

（2）步进电动机的内圈是转子，这三个磁铁互成60°交叉固定在一起，形成一个类似于齿轮外形的多极磁铁，转子的磁铁是永磁铁而不是电磁铁。无论定子中的电磁场如何分布，只要定子线圈通电，则势必会有一个定子电磁铁的N极通过磁性吸引正对着转子上的一个S磁极，步进电动机正是依靠定子和转子的磁极对数差异经过循环地切换定子绕组的电流方向产生外因的旋转磁场，从而靠磁性吸引带动转子转动。

①如果给AC相通电且电流由A→C，则A相产生磁场N极，C相产生磁场S极，如图6-38（a）所示。

②将AC相断电，BD相通电且使电流由B→D，则B相产生磁场N极，D相产生磁场S极，使得转子顺时针方向转动半齿，如图6-38（b）所示。

③将BD相断电，AC相通电且使电流由C→A，则C相产生磁场N极，A相产生磁场S极，转子顺时针方向又转动半齿，如图6-38（c）所示。

④再将AC断电。BD相通电且使电流由D→B，则D相产生磁场N极，B相产生磁场S极，转子顺时针方向又转动半齿，如图6-38（d）所示。

⑤按上述相序给予步进电动机一定的脉冲序列，则电动机将按所给定的脉冲数转过相应的齿数；相序反转可使电动机反转；通过改变脉冲频率，可以实现步进电动机的加减速。

2.步进电动机的特点

步进电动机系统由不可分割的三大部分组成：步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器。其系统框图如图6-39所示。

步进电动机具有自身的特色，归纳起来有以下几点：

（1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。

（2）位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。

图6-39　步进电动机系统框图

（3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。

（4）易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好。

（5）停止时，可有自锁能力。

（6）步距角选择范围大，可在几十分至几度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。

（7）速度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。

（8）步进电动机带惯性负载的能力较差。

（9）由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。

（10）不能直接使用普通的交直流电源驱动。

3.步进电动机的参数

1）步距角

步距角是指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过角度的理论值。步距角公式为

式中　z r——转子齿数；

m1——运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍，即m1＝km；

m——电动机相数。

2）齿距角

齿距角是指相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。齿距角公式为

3）矩角特性

矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系，即T＝f（θ），如图6-40所示。

4）失调角

失调角是指转子偏离零位的角度。

5）零位或初始稳定平衡位置

零位或初始稳定平衡位置是指不改变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。

6）最大静转矩

矩角特性上转矩最大值T k称为最大静转矩。

7）最大静转矩特性

当绕组电流改变时，最大静转矩与相应电流的关系T k＝f（I）为最大静转矩特性，如图6-41所示。

图6-40　矩角特性

图6-41　最大静转矩特性

8）精度

步进电动机的精度有两种表示方法，一种用步距误差最大值来表示，另一种用步距累计误差最大值来表示。

最大步距误差是指电动机旋转一周内相邻两步之间最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。

最大累计误差是指任意位置开始经过任意步之间，角位移误差的最大值。角度误差如图6-42所示。

图6-42　角度误差

（a）最大步距误差；（b）最大累计误差

9）响应频率

在某一频率范围内步进电动机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率f s来作为衡量的指标，它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率或突跳频率。

10）运行频率

运行频率是指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电动机能不失步运行的极限频率。

11）启动矩频特性

在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵入特性。

12）运行矩频特性

在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。矩频特性如图6-43所示。

13）惯频特性

在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性，如图6-44所示。

图6-43　矩频特性

图6-44　惯频特性

14）单步响应

单步响应是指步进电动机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由启动到停止的运动轨迹，如图6-45所示。

4.步进电动机的类型

从广义上讲，步进电动机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。下面仅介绍电磁式步进电动机。

从结构特点进行分类，一般常使用的电磁式步进电动机的主要结构类型如表6-3所示。在小型电动机中，一般多段结构形式较少采用，绕组形式多为圆周分布式和轴向环形线圈式。图6-46所示为VR型多段环形线圈结构。图6-47所示为VR型多段圆周分布绕组结构。图6-48所示为PM型环形线圈结构。图6-49所示为VR型直线步进电动机。如前所述，步进电动机种类繁多，下面就其中典型的几种电动机结构进行介绍。

图6-45　单步响应

表6－3　电磁式步进电动机的主要结构类型

图6-46　VR型多段环形线圈结构

图6-47　VR型多段圆周分布绕组结构

图6-48　PM型环形线圈结构 　　

图6-49　VR型直线步进电动机

1）HB型步进电动机的结构

HB型步进电动机从构造来看由定子部件、转子部件、机壳和端盖四部分组成，如图6-50所示。

图6-50　HB型步进电动机的结构

（1）定子部件。定子部件包括定子铁芯、绕组和绝缘材料。一般定子铁芯使用无方向性硅钢片叠压而成。硅钢片的厚度从损耗及冷加工性出发多采用0.5 mm和0.35 mm厚的材料。从减小冷加工时内径误差以求得较高尺寸精度以及从损耗和加工性来看，采用高性能硅钢片为好，但这也使价格增高。

定子铁芯上有若干大极齿，在每个大极齿上设计有若干小齿，如图6-50所示。

在相邻大极齿的槽内放置绕组，大批量生产时，通常由自动绕线机直接绕制。在槽内放置槽绝缘，以保护线圈。

（2）转子部件。转子部件由转子铁芯、永磁材料和轴组成。转子铁芯通常使用硅钢片，也有使用块状电工钢或粉末冶金材料的。使用硅钢片时其加工制造方法和定子铁芯相同，需采用冷冲压后叠压成型。转子铁芯必须选用磁损耗小的材料。块状电工钢的导磁性较好，但齿的加工量较大。使用粉末冶金材料时，由于可使用模具烧结成型，造价相对要低，但由于这种材料的饱和磁密一般在1.2～1.3 T，所以磁密不能设置过高。

如图6-51所示，该种电动机的转子铁芯分为两个部分，两端的铁芯相差1／2个齿距装配而成。永磁材料一般使用铝镍钴、稀土钴或钕铁硼材质，性能上有余量时可使用廉价的铁氧体材料。

转子轴应根据转子铁芯自重、轴端受力以及磁拉力等因素来决定，通常使用不导磁的不锈钢材料。

（3）机壳。机壳的作用有三个，即加强电动机的刚度、保护电动机和构成定子铁芯的部分磁路。一般由铁磁材料做成圆筒形，表面防锈处理。机壳两端和端盖配合部分应精加工到配合尺寸。

（4）端盖。端盖起支撑转子保证气隙的作用。一般使用铝合金或粉末冶金材料，用模具一次成型。同样，为保证小气隙的要求，对机械加工的同心度、椭圆度等应予足够重视。

2）VR型步进电动机的结构

VR型步进电动机与HB型类似，如图6-52所示。其不同之处是转子铁芯为一个铁芯，不分割为两块，同时转子上不使用永磁材料。其材料和制造方法和HB型相同。

图6-51　转子示意图

图6-52　VR型步进电动机结构示意图

3）PM型步进电动机的结构

图6-53所示为PM型步进电动机结构示意图。其转子由永磁材料和轴组成，转子上没有HB型步进电动机那样的齿。永磁材料圆周方向充磁，材料一般使用铁氧体和铝镍钴居多。使用铁氧体时多为每步7.5°和15°，使用铝镍钴时常为每步45°和90°。

4）PM型直线步进电动机的结构

PM型直线步进电动机由定子和转子两部分组成，这种结构的电动机因永磁材料的形状和配置、线圈的位置等有不同种类。比较典型而且结构简单的PM型直线步进电动机结构示意图如图6-54所示。

图6-53　PM型步进电动机结构示意图

图6-54　PM型直线步进电动机结构示意图

其定子铁芯形成主磁路，相当于把旋转型VR或HB电动机的定子铁芯在一维空间展开。其动子由励磁线圈以及形成永磁材料和主要磁路的铁芯组成，完成直线运行。

5）单相步进电动机的结构

单相步进电动机在仪器仪表中被广泛使用，近年来，以单相永磁步进电动机的发展最为显著。其特点有以下几个：

图6-55　双偏心一对极单相永磁步进电动机结构示意图

（1）结构简单，成本低。

（2）易小型化、微型化。

（3）驱动电路简单。

（4）工作电压可以很低，平均耗电量小。

图6-55所示为双偏心一对极单相永磁步进电动机结构示意图，由高导磁材料制成的定子铁芯、沿径向磁化成一对极永磁转子以及励磁线圈所组成。图6-56所示为凹坑式单相永磁步进电动机结构示意图。

上述单相永磁步进电动机的步距角均为180°，也可以将转子充磁为多对极，其步距角可以成倍地减小。图6-57所示为三对极双偏心可调的单相永磁步进电动机结构示意图。

图6-56　凹坑式单相永磁步进电动机结构示意图

（a）圆弧凹坑式；（b）尖角凹坑式

图6-57　三对极双偏心可调的单相永磁步进电动机结构示意图

1—定子铁芯；2—转子永磁体；3—定子回转中心销钉；4—定子固定螺钉；5—偏心调节销钉；6—线圈铁芯固定螺钉；7—线圈

图6-58　双气隙杯形转子VR型步进电动机结构示意图

6）其他结构的步进电动机

近年来，作为步进电动机的一种技术动向，是追求高转矩和控制的高精度化，因而相继出现了一些新型结构电动机，多重定转子结构即其中之一。图6-58所示为双气隙杯形转子VR型步进电动机结构示意图，这种电动机的结构特点是在转子内外圆两侧均设置定子，以得到更大的转矩，一般和位置传感器配合使用，构成闭环控制系统，是一种理想的直接驱动电动机，也可作为高转矩步进电动机使用。

5.步进电动机的选择方法

1）步进电动机的机械驱动机构

步进电动机系统的性能，除取决于电动机本体的特性外，还受所使用的驱动器的影响。在实际应用场合，步进电动机系统是由电动机本体、驱动器以及推动负载用的机械驱动机构所组成，如图6-59所示。

图6-59　步进电动机机电一体化系统

一般说来，步进电动机用机械驱动机构通常是减速机构，主要有齿轮减速、齿形带减速、丝杠减速及钢丝减速等方式，如图6-60所示。

图6-60　常用机械驱动机构示意图

（a）链轮减速机构；（b）钢丝减速机构；（c）丝杠减速机构

利用减速机构可以起到下述作用：

（1）变更步距角，提高位置分辨率。

（2）通过改变转速，避开共振区，以便在高输出特性区域运行。

（3）使惯量相匹配，以求得到较大的加速度，得以高效率运行。

（4）利用减速机构的黏性摩擦减小振动，从而改善阻尼特性。

（5）得到直线运动。

驱动机构将步进电动机产生的转矩传输给负载，从而带动负载按要求的条件运行。因此步进电动机的选择必须满足整个运动系统的要求。

通常，在选定步进电动机时，从机械角度考虑的要点是：①分辨率，由移动速度、每步所移动角度视距离来决定；②负荷刚度、移动物理重量；③电动机体积和质量；④环境温度、湿度等。

从加减速动作要求出发考虑的要点是：①在短时间内定位所需要的加速和减速速度的适当设定，以及最高速度的适当设定；②根据加速转矩和负载转矩设定电动机的转矩；③使用减速机构时，则要考虑电动机速度和负荷速度的关系。

2）负载转矩的估算

精确计算驱动系统的转矩是比较复杂的，习惯的做法是根据实际装置实测求取。在选择步进电动机时，常常使用近似公式，先估算出负载的转矩，从而为选定电动机提供依据。

（1）直线运动。直线运动系统换算到电动机轴的负载转矩T1一般由下式估算，即

式中　T f——电动机轴的摩擦转矩；

l0——每转机械移动量；

η——驱动系统的效率；

F——直线运动机械的轴向力。

（2）旋转运动。旋转运动机械换算到电动机轴的负载转矩T I通常用下式估算，即

式中　T′1——负载轴的负载转矩。

3）负载惯量的计算

根据惯量的定义，物体对某轴的惯量定义为该物体微小体积的质量d m与该微小体积到轴的距离r的平方的乘积之总和，即

现将常用惯性体的惯量计算式归纳如下：

（1）圆柱。圆柱模型如图6-61所示，则

式中　Jx——以x轴为中心的惯量；

Jy——以y轴为中心的惯量；

M——质量；

D1——外径；

D2——内径；

ρ——材料密度；

l——长度。

（2）长方体。长方体模型如图6-62所示。其惯量计算式为

图6-61　圆柱模型

图6-62　长方体模型

图6-63　不通过重心的轴的模型

（3）不通过重心的轴的惯量计算。不通过重心的轴的模型如图6-63所示。其计算式为

式中　J0——关于通过重的轴x0的惯量；

l——x轴和x0轴的距离。

（4）直线运动物体的惯量。求直线运动物体的惯量，通常是求出其等价惯量。旋转运动和直线运动的动能分别为

在等价变换条件下，W1＝W2，则惯量

若令每转移动量为l0，则

6.系统设计常用计算式

1）分辨率和步距角

若设驱动机构最末级的移动量为l0，电动机的步距角为θb，减速比为i，则每个脉冲的最小输送量，即分辨率为

最末一级的单位移动量由驱动机构决定。例如，使用滑轮时，若最末一级轮径为D，则为

而使用螺栓时，若螺距为P，则

根据以上三式可求得轮径为

螺距为

2）移动速度和输入脉冲频率

若已知最小输送量l和脉冲频率f，则其移动速度

考虑到轮径和螺距公式，则使用滑环或螺栓时的速度分别为

也就是说，根据整个系统要求的速度，利用以上两式可求出驱动步进电动机所需要的输入脉冲频率

在实际工作时，就可根据上式的计算值来判断可否在自启动区域驱动，或者需要进行加减速而在运行区域驱动运行。

最末一级的转速

3）移动量和输入脉冲数

若设输入脉冲数为N，则移动量l t为

当步进电动机按一定频率驱动运行时，在某个时间段t内的脉冲数为

而在包括加速、减速运行的场合，脉冲频率是变化的，则可用频率对时间的积分来计算，即

图6-64　运动模型示例

由上式可以看出，三角波或梯形波驱动运行方式下脉冲数可用其面积表示。如图6-64所示，运动模型的脉冲数可用加速部分、定速运行部分及减速部分的总和来计算，即

4）加速度和转矩惯量比

驱动负载时往往需要计算加速度。一般来说，加速度

式中　l——每个脉冲的运动距离。

而用电动机的加速转矩T a和惯量表示时为

式中　g——重力加速度。

而换算到轴的惯量为

式中　J M——电动机本身的惯量。

于是，使加速度为最大的减速比应该为

7.步进电动机的选择程序

一般来说，选择步进电动机时遵循下述程序：

1）选择要素

选择步进电动机时，首先要知道机械和时间两个方面的要素。

机械要素是指负载转矩T1和负载惯量J L。时间要素是指加速时间t1和t2（从t1开始加速到t2），运行时间t。

2）确定目标

确认脉冲速率，其依据是将物体移动到目标位置的时间。

3）计算需要的运行转矩

电动机带载运行所需要的转矩为

式中　T——需要的运行转矩；

T1——负载转矩；

T a——惯性体的加速转矩。

负载转矩由实测得到或用前述计算式估算。惯性体的加速转矩可按下式计算

4）决定电动机的型号

根据已得到的脉冲速率和运行需求的转矩，从电动机产品样本的矩频特性曲线上选取2～3种可用的电动机。

5）验证

根据选中的电动机，结合转子惯量再次用验算。将计算值再次与矩频特性曲线对照，确定是否在该曲线内侧，直到满足为止，最终确定一种电动机。

选择电动机的顺序框图如图6-65所示。

图6-65　选择电动机的顺序框图