步进电机的发展

1、步进电机的发展、应用和种类简介 步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 步进电机依依其构造造上的差差异可分分为三大大类： （下图图一） 可变磁磁阻式（VR型）：转子以软铁铁加工成成齿状，当当定子线线圈不加加激磁电电压时，保保持转矩矩为

2、零，故故其转子子惯性小小、响应应性佳，但但其容许许负荷惯惯性并不不大。其其步进角角通常为为15。 永久久磁铁式式（PMM型）：转子由永久久磁铁构构成，其其磁化方方向为辐辐向磁化化，无激激磁时有有保持转转矩。依依转子材材质区分分，其步步进角有有45、90及7.55、11.225、15、18等几种种。 混和和式（HHB型）：转子由轴向向磁化的的磁铁制制成，磁磁极做成成复极的的形式，其其乃兼采采可变磁磁阻式步步进电机机及永久久磁铁式式步进电电机的优优点，精精确度高高、转矩矩大、步步进角度度小。 （图一） 目前市场上上所使用用的工业业用步进进电机，以以混和式式（HBB型）最最为普遍遍。 步进电机的的特

3、征 高精度的定定位： 步步进电机机最大特特征即是是能够简简单的做做到高精精度的定定位控制制。以55相步进进电机为为例：其其定位基基本单位位（分辨辨率）为为0.772（全步步级）/0.336（半步步级），是是非常小小的；停停止定位位精度误误差皆在在3分（0.005）以内内，且无无累计误误差，故故可达到到高精度度的定位位控制。（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度）位置及速度控制： 步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。具定位保持力： 步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时），

4、仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。动作灵敏： 步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。开回路控制、不必依赖传感器定位： 步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）及位置传感器（SENSOR），就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。中低速时具备高转矩： 步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。高信赖性： 使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误

5、动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。小型、高功率： 步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。 步进电机的的速度转矩特特性 速度-转矩矩特性取取决于电电机及驱驱动器，尤尤其与所所搭配的的驱动器器有着极极大的影影响；使使用的驱驱动器不不同，特特性上的的差异也也就会有有明显的的不同。 （图二） 步进电机速速度-转矩特特性曲线线图（图图二）说说明： (1)激磁磁最大静静止转矩矩：当运运转脉冲冲速度等等于0 Hz时时，曲线线与Y轴交接接的点即即称为激激磁最大大静止转转矩。也也就是指指电机在在通电但但无输入入脉冲信信号的情情况下，其其所具备备的保持持转矩即即称为激

6、激磁最大大静止转转矩。 (2)脱出出转矩：又称最最大转矩矩，为电电机于运运转时所所能带动动的最大大负荷。 (3)最大大响应频频率：在在无负载载、负荷荷惯性为为0时，电电机所能能够响应应之最快快的速度度。 (4)最大大自起动动频率：电机在在无载的的状态下下可以做做到瞬时时的起动动而不失失步的速速度谓之之最大自自起动频频率。 二相与五相相步进电电机的差差异 步进电机主主要是依依相数来来做分类类，而其其中又以以二相、五五相步进进电机为为目前市市场上所所广泛采采用。二二相步进进电机每每转最细细可分割割为4000等分分，五相相则可分分割为 10000等分分， 所以表表现出来来的特性性以五相相步进电电机较

7、佳佳、 加减速速时间较较短、 动态惯惯性较低低。二相相/五相步步进电机机差异比比较： 二相步进电电机 五相步进电电机 电机构造（请请参照图图三） 8个主极4相(2相)4极线线圈 10个主极极5相2极线圈圈 分解能 1.8/0.99（2000、4000分割/圈） 0.72/0.36（5000、10000分割割/圈）较二相步进进电机高高出2.5倍 分解能。 振动性 100-2200PPPS之之间为低低速共振振领域， 振动较大 无显著共振振点 低振动 速度转矩矩特性 于速度上不不及五相相步进电电机 高速度、高高转矩 （图三）二相/五相相步进电电机基本本性能汇汇整比较较： 优/良良/稍差 分解能 振动

8、 速度 角度精度 响应性 转矩 噪音 二相步进电电机 五相步进电电机 步进电机的的驱动系系统 步进电机在在单单仅仅给予电电压时，电电机是不不会动作作的，必必须透过过脉波产产生器提提供位置置（脉波波数）、速速度的脉脉波信号号指令，以以及驱动动器驱动动电流流流过电机机内部线线圈、依依顺序切切换激磁磁相序的的方式才才能够让让电机运运转。所所以欲使使步进电电机动作作的必要要系统组组成有： 1.脉脉冲产生生器：给给予角度度（位置置移动量量）、动动作速度度及运转转方向之之脉冲信信号的电电机驱动动指令。 2.步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作。 3.步进电机：提供转矩动力输

9、出来带动负载。所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）、位置传感器（SENSOR），即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制。 步进电机的的速度、位位置控制制 速度控制制： 步步进电机机的运转转速度会会与输入入的脉冲冲速度成成等比例例的关系系，所以以在脉冲冲的速度度愈快时时，步进进电机的的转速也也会跟着着加快；脉波速速度愈慢慢时，电电机的转转速自然然也跟着着变慢。电机的运转速度（RPM）与脉冲速度（PPS，又称Hz）间的关系式如下：电机的运转速度（RPM） 脉冲速度（PPS或 Hz） 60 步进电机分割数/圈说明： 1.RPM为一般电机的速度单位，即

10、 rev / min，为每分钟电机所转的圈数；PPS为步进、伺服电机的速 度单位位，即ppulsse pper seccondd，为每每秒所送送出的脉脉冲数。 2.由由于RPPM与PPSS的单位位不同，所所以于转转换的过过程中要要先将PPPS的的秒钟乘乘以600变为分分钟 。 33.步进进电机分分割数/圈，又又代表要要让电机机转一圈圈所必须须送出的的脉冲数。 4.上上述公式式拆解后后之单位位表示为为 reev/mmin = ppulsse/ssec 60 1/分割割数 实例：五相相半步级级角0.36时（即即10000分割割/圈） （1）电机机的运转转速度6600RRPM时时，即相相当于脉脉冲速

11、度度10,0000PPSS。 （2）脉冲速度度3,0000PPPS，即即相当于于电机的的运转速速度1880RPPM。位置控控制： 步步进电机机不需要要位置传传感器（SENSOR），就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确的送达指定位置点上。而移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数来决定。脉冲数（PULSE）与移动量间的关系式如下： 位置移动量（ ） 步进电机分辨率（ ） 输入脉冲数 实例：二相全步级角1.8时 当输入1000个脉冲数（即1000PULSE），此时之移动量会是1800，刚好为5圈。 步进电机疑疑难杂症症处理 如何有效改改善步进进电机的的温升问问题？ 可依下列

12、步步骤作做做检查及及确认： 1.是否用用于连续续运转的的场合？ （步进电机机的特性性并不适适合于连连续运转转的场合合下使用用,在此场场合下使使用时一一定会有有较高的的温升 产产生。请请重新确确认机构构动作需需求条件件并重新新评估使使用的电电机。） 2.请确认认机构动动作频度度、周期期？ （走停的动动作频度度过高将将可能因因脉冲输入入停止的的时间过过短而导导致电流流尚未下下降就又又重新激激活， 故故此时的的温升一一定会较较高。建建议您可可将动作作频度降降低以改改善温升升问题。 3.将RUUN电流流调小情情况可否否改善？ （在转矩足足够的情情况下将将驱动器器的RUUN电流流调小将将可有效效的使温温

13、升降低低。但若若因扭力力的关系系 一一定得使使用到较较大的电电流时,则建议议您可将将电机更更换为大大一等级级的电机机后再将将电流调调低以改改 善善温升问问题。） 4.将STTOP电电流调小小情况可可否改善善？ （在保持力力足够的的情况下下将驱动动器的SSTOPP电流调调小将可可于电机机停止时时有效的的使温升升降低。但但 若若因停止止保持力力的关系系一定得得使用到到较大的的STOOP电流流时,则建议议您可将将电机更更换为大大一等级级 的的电机后后再将电电流调低低以改善善温升问问题。） 5.驱动器器上的指指拨开关关是否打打开电流流自动降降低档？ （若未打开开,电机机停止时时电流将将无法自自动下降降,温升会会因此而而较高。建建议使用用此功能能， 将将可避免免步进电电机及驱驱动器的的温升问问题。） 6.目前使使用的速速度是否否界于温温升较高高(即电流流较大)的范围围内？(由特性性曲线图图中的电电流曲线线得知) （请尽量避避开温升升较高的的速度范范围使用用,对于温温升的降降低将有有帮助。） 7.周围环环境温度度如何?是否过过高？ （电机温度度环境境温度电机温温升，故故环境温温度较高高时，电电机的温温度也会会因