步進電機的主要特性與基本特性

現在制造工業技術的發展，到處都離不開步進電機，步機電機的生產程序是一項非常繁瑣的事情，要求生產制造人員不僅要對機械、電機行業了解，還涉及到了許多電子與計算機方面的知識，步進電機主要是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。要是片面從電流來考慮如何配驅動器，那肯定是不合適的。雖然步進電機已被廣泛地應用，所以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知識。

步進電機的主要特性

1 步進電機必須加驅動才可以運轉， 驅動型號必須為脈沖信號，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（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比。

2 騰龍版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。

3 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性。

4 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉動的方向。

因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設備都以步進電機為動力核心。

步進電機的基本特性

一、靜態轉矩特性

步進電機的線圈通直流電時，帶負載轉子的電磁轉矩（與負載轉矩平衡而產生的恢復電磁轉矩稱為靜態轉矩或靜止轉矩）與轉子功率角的關系稱為角度-靜止轉矩特性，這就是電機的靜態特性。如下圖所示：

因為轉子為永磁體，產生的氣隙磁密為正弦分布，所以理論上靜止轉矩曲線為正弦波。此角度-靜止轉矩特性為步進電機產生電磁轉矩能力的重要指標，最大轉矩越大越好，轉矩波形越接近正弦越好。實際上磁極下存在齒槽轉矩，使合成轉矩發生畸變，如兩相電機的齒槽轉矩為靜止轉矩角度周期的4倍諧波，加在正弦的靜止轉矩上，則上圖所示的轉矩為：

TL=TMsin［（θL/θM）π/2］

其中TL與TM各表示負載轉矩和最大靜止轉矩（或稱把持轉矩），相對應的功率角為θL和θM，此位移角的變化決定了步進電機位置精度。根據上式得到：

θL=（2θM/π）arcsin（TL/TM）

PM型永磁步進電機和HB混合式步進電機的步距角θs在前面的課程中講過即：θs=180°/PNr，角度改為機械角度（弧度），則變成下式：

θs=π/（2Nr）

上式Nr為轉子齒數或極對數，所以兩相電機θM=θs。

負載轉矩為電磁轉矩的負載（如彈簧力或重物的提升力等），電機如要正反向運動，會產生2θL的角度偏差，要提高位置精度，θL就要小，因此，依據式θL=（2θM/π）arcsin（TL/TM），應選擇最大靜止轉矩Tm大、步距角θs小的步進電機，即高分辨率電機。根據式θs=π/（2Nr）可知，要使θs越小，Nr越大越好。

另外，高分辨率的步進電機的轉子結構大致分為PM型、VR型、HB型三種，其中HB型分辨率最好。

由于PM型定子磁極為爪級結構的關系，定子磁極數的增加受到機械加工的限制。HB型轉子表面無齒，N極與S極在轉子表面交替磁化，因此極數即為極對數Nr，同樣的，轉子磁極Nr的增加也受到充磁機械的限制。VR型轉子齒數與HB型相同時，因不使用永磁體，雖有相同的Nr，但是步距角θs為HB型的2倍，并且由于無永磁磁極，最大轉矩Tm比HB型小。

當兩相步進電機外徑為42mm左右時，Nr=100齒，步距角0.9°，這 是實際使用中最高的分辨率。Nr變大，電抗也增加，則高轉速下轉矩會下降。因此，Nr=50，步距角為1.8°的電機被廣泛使用。對HB型結構，全步進狀態的步距角精度為士3%，步進電機運行角度θ=nθs，各步運行中無累積誤差，電機的速度如足夠大，盡可能提高n（θs?。?，以提高位置定位精度。

二、動態轉矩特性

動態轉矩特性包括驅動脈沖頻率-轉矩特性和驅動脈沖頻率-慣量特性。

1、脈沖頻率-轉矩特性

脈沖頻率-轉矩特性是選用步進電機的重要特性。如下圖所示，縱軸為動態轉矩（dynamic torque），橫軸取響應脈沖頻率，響應脈沖頻率用pps（pulse per second）作為單位，即每秒的脈沖數表示。

如圖所示，步進電機的動態轉矩產生包括失步轉矩（pull-out-torque）和牽入轉矩（pull-in-torque）兩個轉矩。前者稱為失步或丟失轉矩，后者稱為起動或牽入轉矩。牽入轉矩范圍為從零到最大自起動脈沖頻率或最大自起動頻率區域。牽入曲線包圍的區域稱為自起動區域。電機同步進行正反轉起動運行，在牽入與失步區域之間為運轉區，電機在此區域內可帶相應負載同步連續運行，超出范圍的負載轉矩將不能連續運行，出現失步現象。步進電機為開環驅動控制，其負載轉矩與電磁轉矩之間要有裕度，其值應為50%~80%。

失步轉矩與牽入轉矩在0pps時相等。隨著控制脈沖頻率的增加，帶負載能力會下降。在運行開始，控制脈沖頻率應緩慢增加，以便利用低速下的大轉矩，提供電機在低速運行時需要的加速轉矩，減少加速時間。步進電機定子線圈的電感設計的越小，最大響應脈沖頻率就越大，這樣就可將慢加速驅動變為快加速驅動運行。

2、脈沖頻率-慣量特性

步進電機在帶慣性負載快速起動時，須有足夠的起動加速度。因此如負載的慣量增加，則起動脈沖頻率就下降，為此，在選擇步進電機時對兩者要進行綜合考慮。

下圖縱軸為最大自起動頻率，橫軸為負載慣量，曲線表示負載慣量與最大自起動脈沖頻率之間的關系。此處以PM型爪極步進電機（兩相，步距角7.5°）為例。負載PL下，最大自起動脈沖頻率PL與負載慣量Jc的關系如下：

式中，JR步進電機轉子慣量，Ps為空載的最大自起動頻率。

3、暫態轉矩特性

由于步進電機轉子慣量作用，即使空載運行一步，也會產生超越角（over-shoot），并在超越角與返回角（under-shoot）之間來回振蕩，經過哀減后靜止于所定角度，此為步進電機暫態響應特性。

下圖表示步進電機的暫態特性，縱軸取轉子移動角度，橫軸為時間?！鱐為上升時間，△θ表示超越角，轉子自由靜止到設定位置的時間（通常到達步距角的士5%誤差范圍的時間）稱為穩定時間（setting time）。

穩定時間越短，快速性越好，為了加快機構的運行速度，使穩定時間變短，步進電機的阻尼（制動）變得很重要。