实践探究 深度剖析步进电机

步进电机因其在速度和位置控制精度上的优秀性能，在电机行业中应用广泛。对于步进电机的架构和驱动方式、工作原理、应用中的注意事项，我们将进行深度剖析。

步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100%），所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角，所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。因此控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

一、步进电机的构造（以五相步进电机为例）

步进电机的构造如下图所示，大致分为定子和转子两部分。转子由转子1、转子2和永久磁钢组成。

定子拥有小齿状的磁极，共有10个，皆绕有线圈。 其线圈的对角位置的磁极相互连接着，电流流通后，线圈即会被磁化成同一极性。（例如某一线圈经由电流的流通后，对角线的磁极将同化成S极或N极。）对角线的2个磁极形成1个相，而由于有A相至E相等5个相位，因此称为5相步进电动机。

转子的外圈由50个小齿构成，转子1和转子2的小齿于构造上互相错开1/2螺距。由此转子形成了100个小齿。目前已经有转子单个加工至100齿的高分辨率型，那么高分辨率型的转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电机半步（普通步进电机半步需要电气细分达到）的分辨率。

二、步进电机工作原理

当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、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。

三、步进电机的控制

步进电机驱动方式有三种基本的驱动模式：整步、半步、细分。其主要区别在于电机线圈电流的控制精度（即激磁方式）。通常步进电机都有低频振动的特点，通过细分调协可以改善电机低速动运行的平衡性。下面给大家详细介绍一下：

1、整步驱动

在整步运行中，同一种步进电机既可配整/半步驱动器也可配细分驱动器，但运行效果不同。步进电机驱动器按脉冲/方向指令对两相步进电机的两个线圈循环激磁（即将线圈充电设定电流），这种驱动方式的每个脉冲将使电机移动一个基本步距角，即1.80度（标准两相电机的一圈共有200个步距角）。

2、半步驱动

在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态，则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进电机将以每个脉冲0.90度的半步方式转动。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点，所以实际使用整/半步驱动器时一般选用半步模式。

3、细分驱动

细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高两大优点。对于有时需要低速运行（即电机转轴有时工作在60rpm以下）或定位精度要求小于0.90度的步进应用中，细分驱动器获得广泛应用。

其基本原理是对电机的两个线圈分别按正弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步距角的距离分成若干个细分步完成。例如十六细分的驱动方式可使每圈200标准步的步进电机达到每圈200*16=3200步的运行精度（即0.1125°）。

四、应用中的注意点

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

3、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

4、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

5、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。

五、步进电机测试注意点

根据国标GB/T 20638-2006，对于步进电机的测试我们一般需要关注反电动势常数、保持转矩、绕组温升、矩角特性测试、牵出转矩、最高反转频率等测试。

对于反电动势常数的测试，可以采用功率分析仪的测试方法直接在仪器上得出反电动势常数。对于牵出转矩的测试，对于大基座的步进电机，一般采用磁粉制动器和电机测试平台来进行测试，小基座的步进电机采用弹簧秤和绳子的组合方法来测试。MPT电机测试系统目前针对步进电机的测试可以提供整体的测试方案和测试系统，帮助工程师快速完善研发设计的步进电机。