步进电机选型设计计算综述

电机的分类

永磁式（PM ，Permanent Magnent ）：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好，输出力矩大，体积小。一般为两相，步距角为7.5°或15°.

反应式(VR ，Variable Relucance)：定子上有多相励磁绕组，转子由软磁材料制成，利用磁导的变化产生转矩。特点是结构简单，成本低，一般为三相，步距角小，一般为1.5°。但动态性能差，噪声和振动大，发热大，效率差，可靠性难保证，但输出转矩大。。

混合式（HB ，HS ，Hybrid stepping ）：混合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组，转子上采用永磁材料。转子和定子上均有多个小齿以提高步距精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步矩角小，但结构复杂，成本相对较高。一般为两相和五相。

目前，最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额。其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本（固定）步距角为1.8°，配上半步驱动器后，步距角可达到0.9°。配上细分驱动器后其步距角可细分达到256倍，0.007°。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

相数

电机的相数是指电机内部的线圈组数。产生不同对极N 、S 磁场的激磁线圈对数。目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。N 相步进电机有N 个绕组，这N 个绕组要均匀地镶嵌在定子上，因此定子的磁极数必定是相数N 的整数倍。N

一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°，三相的为0.75°/1.5°五相的为0.36°0.72°。

在没有细分驱动时，主要靠选择不同的相数的步进电机来满足自己步距角的要示。如果使用细分驱动器，则相数变得没有意义，只要在驱动器上改变细分数，就可以改进步驱角。

目前使用最广泛的是两相和四相。四相电机一般用作两相，五相成本较高。

拍数、整步、半步

拍数是指步进电机旋转一圈，定子绕组的通电状态被切换的次数。

完成一个磁场周期变化所需脉冲数或导电状态。或指电机转过一个步距角所需脉冲数。以四相电机为例，有四相四拍运行方式为：AB-BC-CD-DA-AB ，四相八拍运动方式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。

固有步距角：

对应一个脉冲信号，电机转子转运的角位移，

运行拍数

转子齿数⨯︒=360θZmK ︒=360θ 以转子齿为50齿的电机为例，四相四拍运行时︒=⨯︒=8.14

50360θ（整步）、四相八拍运行时

︒=⨯︒=9.08

50360θ（半步）。 ZmK

︒=360θ Z ：转子的齿数；m ：步进电机定子的相数；K 控制系数，是拍数与相数的比例系数。

这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，电机真实的步距角还和驱动器的设置有关。

相数越少，步距角越大，高速性好，但速度的平稳性差、精度差，特别是在低速时振动越大。这时可以采用细分驱动器的方式解决。

相数越多，步距角越小，运转精度越高、平稳性好。

相数少力矩小，相数多力矩大，五相电机的力矩通常在2Nm 。

步距角精度

步进电机每转一个步跷有的实际值与理论值的误差。不同运行拍数，其数值不同，四拍运行时在5%之内，八拍运行时在15%之内。

由于步进电机主要用于开环控制的伺服系统中，这一误差无法测量和补偿，因此，在选用步进电机时，应分析它对整个伺服系统的影响。

保持转矩（HOLDING TORQUE ） 最大静转矩

保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。该力矩也是电机所能输出的最大电磁力矩，它反映了步进电机的制动能力和低速时步进运行的负载能力。

电机在额定静电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。 电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随着速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

步进电机的动态力矩一下子很难确定，往往先确定电子的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时，两种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍。静力矩一旦选定，电机的机座号及长度便能确定下来。

DETEND TORQUE 定位转矩

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。反应式VR 步进电机不是永磁材料，没有该指标。

空载起动频率

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高到所希望的高频。

步进电机的起步速度一般在10-100rpm.主要根据电机大小和负载情况而定，大电机一般对应较低的起步速度。

最大空载的运行频率

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

启动矩频特性

是指步进电机在有外加负载力矩时，不失步地正常启动所能接受的启动频率与负载力矩之间的对应关系曲线。由图可知，负载力矩越大，所允许的最大启动频率越小。选用步进电机时，应该使实际应用的启动频率与负载力矩所对应的启动工作点位于该曲线之下，才能保证电机不失步地正常启动。

运行转矩特性

步进电机在某种测试条件下，测得运行中输出和矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性。这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是选择电机的根本依据。

电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流）。平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如图，曲线3电流最大或电压最高，曲线1电流最小或电压最低。曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，应采用小电感大电流的电机。