步進電機原理及術語

步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化設備中。步進
電機和普通電動機不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構，它同時完成兩個
工作：一是傳遞轉矩，二是控制轉角位置或速度。
電機工作原理:圖 2.1 為兩相步進電機的工作原理示意圖，它有2 個繞組。當一個繞組通電后，其定子磁極產生磁場， 將轉子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下， 通電方向順序按照

四個狀態周而復始進行變化，電機可順時針轉動；通電時序為

時，電機就逆時針轉動。控制脈沖每作用一次，通電方向就變化

一次，使電機轉動一步，即90 度。4 個脈沖，電機轉動一圈。脈沖頻率越高，電機轉動越快，實
際電機的節構要比模型復雜，并且每轉一步，一般為1-8°。
步進電機的輸出力矩與電機的有效體積、線圈匝數、磁通量、電流成正比，因此，電機有效體
積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之越小。

步進電機術語:

相數：
是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。
步距角：
對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。一般二相電機的步距角為 1.8 度，即電機運動
200 步為一周。
靜力矩（HOLDING TORQUE）：
是指步進電機通以額定電流但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數
之一，通常步進電機在低速時的轉矩接近靜力矩。
定位力矩（DETENT TORQUE）：
是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。
步距角精度：
步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：（誤差/步距角）′ 100%。
步進角的誤差不累積。
最大空載起動頻率：
電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。
最大空載的運行頻率：
電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高運行頻率。
相電流：
電機繞組所通過的電流。
電機矩頻特性：
電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與脈沖頻率關系的曲線稱為電機矩頻特性，這是電
機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如圖2.2 所示，在低速時的電機力矩接近
靜力矩，隨著電機速度的增加，電機輸出力矩不斷衰減。
電機的動態力矩取決于電機運行時的相電流在額定電流和電壓下，相電流越大，電機輸出力矩
在低速時越大，電壓越高，高速運轉時力矩越大。

圖2.2 電機矩頻特性曲線
圖2.2 中，1-3 表示電壓或電流的值變大時，力矩的變化趨勢。另外，請注意，同一電機
的矩頻特性曲線在不同驅動器下的表示是會有差異的，所以選型時要留有余量。
電機的共振點：

步進電機均有相對固定的共振區域，2、4 相混合式步進電機的共振區一般在180～250pps 之
間（步距角1.8 度）。電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向
上偏移。為使電機輸出力矩大，不失步及使系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。注
意：細分會改變共振區的位置。
丟步（失步）：
控制器給電機發了 n 個脈沖，步進電機并沒有轉動n 個步距角。一般當電機力矩偏小、加速度
偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會使丟步現象發生。
步進電機的類型：
步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）等。
永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度或15 度；
反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。
反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩；
混合式步進電機是指綜合了永磁式和反應式的優點而設計的步進電機。它又分為兩相和五相：
兩相步進角一般為1.8 度，而五相步進角一般為0.72 度。目前，兩相混合式步進電機最常用。
步進電機的極性：
步進電機分雙極性電機和單極性電機。如圖 2.3（a）所示雙極性電機，電流在2 個線圈流動
時序為AA ? BB ? AA ? B B ；而單極性電機線圈中電流的流動方向是固定的，如圖2.3
（b）所示，其通電時序為VA ? VC ? VB ? VD 。
單極性電機的驅動器較雙極性電機驅動器簡單，但單極性電機的輸出力矩較小。

（a）雙極性電機（b）單極性電機
圖2.3 步進電機線圈的極性
步進電機線圈的串、并聯：
許多 2 相步進電機有8 根引線，這種電機既可以串聯連接又可以并聯連接。
串聯連接的電機，電流較小，低頻力矩較大；并聯連接的電機，電感較小，所以啟動、停止速
度較快，高頻力矩有所增大

步進電機結構: