一、步进电机概述 　　步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系 统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域 都有应用。 　　上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反 应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由 于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足 的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制 方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路， 不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新 设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算 机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。 　　步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫 环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于 励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变 化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋 转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，它需要专用的步进电机驱动器，负 责接收用户发出的脉冲指令，控制绕组导电的顺序，并转化为步进电机的角位移输出。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(称为 “步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误 差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 　　因此，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、 混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较 小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进 角一般为1.5度（80齿）或1.2度（100齿），但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子 磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机 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，也是本次细分驱动方案所选用的 步进电机。 二、步进电机的一些基本参数 　　步进电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电 机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步 工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘步进电机固有步距角’，它 不一定是步进电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 　　步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步 进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机（无反应式）的步距角为0.9°/1.8 °、三相的为0.75°/1.5°(80齿反应式，现在0.6°/1.2°更常见，对应反应式100齿，混 合式50齿)、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的 步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘步进电机’将变得没有意义， 用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 　　保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的 力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于 步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持 转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有 特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 　　DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子 不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。 三、步进电机的一些特点 　　1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 　　2．步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁， 从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的 退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上， 所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 　　3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感 将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度） 的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 　　4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电 机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如 果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动 频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然 后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 　　5．步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电 机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速 性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使 用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候， 甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。 　　步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为 步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想 的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压 扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独 在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机 构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其 二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数 控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作 为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。 　　步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字 化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。