几类典型步进电机的性价比分析和使用要求简介步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机，它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点，在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用，具有较高的实用价值。

基于电机的运动控制技术作为自动化领域的关键部分，在国民经济当中起着重要的作用。

随着现代科学技术的进步，尤其是集成电路、电力电子器件、自动化控制理论等方面的进展，电机在其实际应用中已由过去简单地控制转动停止、以提供动力为目的应用上升到对速度、加速度、位移和转矩等进行精确控制阶段，以便使被驱动的机械运动准确符合预想的要求。

步进电机正好能够很好地符合这种需求，它是一种将数字脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的数模转换控制电机。

通常所说的步进电机一般是指机电一体化设备包括步进电机及其驱动器，当步进电机驱动器接受到一个脉冲之后就驱动步进电机转动一个固定的角度即步距角。

步进电机不像其它电机那样连续旋转而是以一定的步距角一步一步做增量运动因此而得名。

所以通过控制脉冲个数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的:同时也可以通过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度和加速度，达到调速的目的。

步进电机还具有以下一些优点：（1）无刷:步进电机是无刷结构电机，与带有换向器和电刷等易损部件的传统有刷电机相比而言可靠性更高。

（2）与负载无关:不超载时步进电机能够按照设定的速度运行。

（3）动态响应快:易于启动、停止和反转。

（4）保持转矩:停止时能够自锁。

（5）无累积误差:虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有一定的误差（3-5%），但是转动一周后累积的误差和为零。

（6）步距角与环境无关:步进电机的固有步距角是由本身构造决定的，与温度、电压、电流等使用环境无关。

（7）易于控制:只需控制脉冲的频率和个数，即可达到定位、调速目的。

（8）价格低廉:步进电机相对于同样用于定位领域交、直流伺服电机而言具有较高的性价比。

正是由于这些优点，使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。

与同样应用于定位领域的交、直流伺服电机构成闭环伺服系统相比较而言，主要优势在于性价比高和驱动控制简单，但是性能上却具有以下明显的不足之处：（1）低速转动时振动和噪声都比较大。

（2）输出力矩随着转动速度的升高而降低。

（3）启动频率不能太高，否则会堵转并伴随有呼啸声。

（4）速度突变较大时存在丢步和过冲现象。

（5）最高运动速度较低，且高速运转时输出力矩小。

（6）开环控制，不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。

虽然步进电机有这些缺点，但是并不影响其在经济型的数控装置上的使用。

现在比较常用的步进电机主要有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度，振动和噪音小；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，步距角小、转矩大且振动、噪音小，它主要又分为两相和五相:两相步距角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

1.磁阻式步进电机磁阻式步进电机通常也可称为反应式步进电机，其定转子均采用齿状结构，定子每个极上都绕有线圈，转子则是由软铁材料制成的。

其基本原理是绕组通电励磁之后会产生一个转矩迫使转子转动到磁通路径磁阻最小的位置。

为了更好的说明磁阻式步进电机的工作原理，图1.2展示了简化的三相反应式步进电机，其定子上有八个极，转子只有四个小齿，步距角为30°。

当绕组1通电时，为了保持其磁通路径磁阻最小，将产生一个转矩迫使X与之对齐；接着若绕组1断电、绕组2通电，则转子将顺时针转动使得Y与绕组2对齐保持磁通路径磁阻最小。

实际上的步进电机可通过增加定子极数或者转子的齿数来减少步距角，例如图所示的是四相反应式步进电机的横截面示意图，其定子上有八个极，每个极上分布有5个小齿，转子有50个小齿，步距角为1.8度。

2.永磁式步进电机如图所示，永磁式步进电机转子为N极、S极相间的永磁体，由于定子极冲制成爪型因而又名爪极式步进电机。

其基本工作原理是转子上的永磁体建立的磁场和定子绕组电流激励的磁场相互作用，形成的同性相斥、异性相吸的电磁转矩，当绕组励磁产生的合磁场发生旋转时，转子也会跟着同步转动起来。

永磁式步进电机的定子是由绕满漆包线的注塑骨架套在爪极板上构成的，当绕组通电励磁后定子上爪极就会被磁化为N极或者S极，从而与转子的N极和极相互作用形成电磁转矩。

永磁式步进电机相对于反应式步进电机来说，具有控制功率小、振动和噪音小的优点，但是由于其定子极数和转子极数相同，且转子永磁体要制成NS密集相间的多对磁极比较困难，因而其步距角一般比较大。

3.混合式步进电机混合式步进电机定子、转子铁芯均为齿状结构同反应式步进电动机结构非常相似，但是其转子带有永久磁钢具备永磁体的特性，所以混合式步进电动机可看作VR和PM两种步进电动机的组合。

下图所示的混合式步进电机的详细的结构示意题图，则是两相混合式步进电机的实物解剖图。

从这个图中可以看出混合式步进电机的定子是多个带有小齿且绕有线圈的极子构成的，这个可以说和反应式步进电机是相同的，而转子则是由左右两边带有小齿的铁芯以及中间的永久磁钢构成，左右两个铁芯一边呈现S极另一呈现N极且相互错开1/2个小齿齿距以便形成跟永磁式步进电机类似的N、S相间磁极。

混合式步进电机的基本工作原理和永磁式步进电机一样，是靠绕组通电之后激励的磁场与转子固有的磁场进行同性相斥、异性相吸的相互作用，形成电磁转矩促使转子转动，当定子绕组激励的合磁场发生旋转时定子也同步旋转。

目前步进电机主要以定子8极、转子50齿的两相混合式步进电机和定子10极转子50齿的五相混合步进电机为主。

步进电机是一种感应电机.它的工作原理是利用precision planetary gear reducer电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电.步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系二在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。

随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数罕控制系统中。

为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。

虽然两者在控制方式上相似（}泳冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。

现就二者的使用性能作一比较。

1.控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。

也有一些高性能的步进电机步距角更小，如北京和利时电机技术有限公司（原四通电机）生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°，三相混合式步进电机其步跄角可通过拨码开关设置为0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°等等，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。

以某进口品牌电机为例，有标准2500线编码器的电机.由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°；而对于带17位编码器的电机而言.驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

2.低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。

振动频率与负载情况和驱动器性能有关.一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。

当步进电机工作在低速时，一般应采用阴尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并目系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点GM25，便于系统调整。

3.矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300~600RPM。

交流伺服电机为I亘力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩在额定转速以上为恒功率输出。

4.过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

以森创交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

5.运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象.停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。

交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠）。

6.速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速!一般为每分钟几百转）需要200一400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以某品牌400四交流伺服电机为例.从静止加速到其额定转速300OR尸M仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。

所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多万面的因素，选用适当的控制电机。