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步進電機難點問答
南京步進電機廠技術部
★★1.什么是步進電機?
▲步進電機是一種將數字脈沖信號轉化為角位移的執行機構。也就是說，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角、步距角）。您可以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；同時您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。
▲步進電機是一種將數字脈沖信號轉化為角位移的執行機構。也就是說，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角、步距角）。您可以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；同時您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。
★★2.步進電機分哪幾種?
◎步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）
▲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0.75度。輸出轉矩較大，轉速也比較高。這種電機，在機床上使用較多。
◎步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）
▲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0.75度。輸出轉矩較大，轉速也比較高。這種電機，在機床上使用較多。
▲混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相、三相、四相和五相：兩相（四相）步距角一般為1.8度，三相步距角通常為1.2度，而五相步進角多為 0.72度。目前，混合式步進電機的應用。
★★3.什么是保持轉矩（HOLDING TORQUE）?
▲保持轉矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機zui重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機zui重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。
▲保持轉矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機zui重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機zui重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。
★★4.什么是DETENT TORQUE?
▲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。通常稱為“定位力矩”。 DETENT TORQUE 在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。
▲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。通常稱為“定位力矩”。 DETENT TORQUE 在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。
★★5.步進電機精度為多少？是否累積?
▲一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
▲一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
★★6.步進電機的外表溫度允許達到多少?
▲步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的zui高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度*正常。
▲步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的zui高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度*正常。
★★7.為什么步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降?
▲當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
▲當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
8.為什么步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲?
▲步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。
▲步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。
★★9.如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲?
▲步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：
◆A.如步進電機正好工作在共振區，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區；
◆B.采用帶有細分功能的驅動器，這是zui常用的、zui簡便的方法；
◆C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；
◆D.換成交流伺服電機，幾乎可以*克服震動和噪聲，但成本較高；
◆E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。
▲步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：
◆A.如步進電機正好工作在共振區，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區；
◆B.采用帶有細分功能的驅動器，這是zui常用的、zui簡便的方法；
◆C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；
◆D.換成交流伺服電機，幾乎可以*克服震動和噪聲，但成本較高；
◆E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。
★★10.細分驅動器的細分數是否能代表精度?
▲步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角1.8° 的兩相混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數設置為4，那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接0.45°，還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數越大精度越難控制。
▲步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角1.8° 的兩相混合式步進電機，如果細分驅動器的細分數設置為4，那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接0.45°，還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數越大精度越難控制。
★★11.四相混合式步進電機與驅動器的串聯接法和并聯接法有什么區別?
▲四相混合式步進電機能夠采用單極性驅動和雙極性驅動兩種方式。例如：HSM8672驅動器是單極性驅動，HSM1524-8驅動器是雙極性驅動。通常用兩相驅動器就能夠驅動四相步進電機。因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發熱?。徊⒙摻臃ㄒ话阍陔姍C轉速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發熱較大。
▲四相混合式步進電機能夠采用單極性驅動和雙極性驅動兩種方式。例如：HSM8672驅動器是單極性驅動，HSM1524-8驅動器是雙極性驅動。通常用兩相驅動器就能夠驅動四相步進電機。因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發熱?。徊⒙摻臃ㄒ话阍陔姍C轉速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發熱較大。
★★12.如何確定步進電機驅動器的直流供電電源?
▲A.電壓的確定：混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（例如HSM1524-8的供電電壓為8～40VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的zui大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。
▲B.電流的確定：供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。通常，2A以上大電流步進電機，采用環形變壓器供電，比較理想。
▲A.電壓的確定：混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（例如HSM1524-8的供電電壓為8～40VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的zui大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。
▲B.電流的確定：供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。通常，2A以上大電流步進電機，采用環形變壓器供電，比較理想。
★★13.混合式步進電機驅動器的脫機信號FREE一般在什么情況下使用?
▲當脫機信號FREE為低電平時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。在有些自動化設備中，如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調節。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續自動控制。
★★14.如何用簡單的方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向?
▲只需將電機與驅動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。
▲當脫機信號FREE為低電平時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。在有些自動化設備中，如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調節。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續自動控制。
★★14.如何用簡單的方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向?
▲只需將電機與驅動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。
★★15.步進電機驅動器的細分原理是什么？
◆用于自動化運動控制系統中的步進電機，主要有二相、三相、四相、五相混合式步進電機。步進電機必須匹配相應驅動器，才能夠接受控制器（CPU、PLC等）的數字信號。為了降低步進電機工作噪音，通常使用細分驅動器，尤其是在低速工作狀態時比較明顯。
◆很多人對“細分”還不是特別了解，有的只是認為，細分是為了提高精 度，其實不然，細分主要是改善電機的運行性能，現說明如下：步進電機的細分控制是由驅動器控制步進電機的相電流來實現的，以二相電機為例，假如電機的額定相電流為3A ，如果使用常規驅動器（如常用的恒流斬波方式）驅動該電機，電機每運行一步，其繞組內的電流將從0突變為3A 或從3A 突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機運行的振動和噪音。如果使用細分驅動器，在10細分的狀態下驅動該電機，電機每運行一微步，其繞組內的電流變化只有0.3A 而不是3A ，且電流是以正弦曲線規律變化，這樣就大大的改善了電機的振動和噪音，因此，在性能上的優點才是細分的真正優點。由于細分驅動器要控制電機的相電流，所以對驅動器要有相當高的技術要求和工藝要求，成本亦會較高。注意，國內有一些驅動器采用“平滑”來取代細分，有的亦稱為細分，但這不是真正的細分，望廣大用戶一定要分清兩者的本質不同：
1．“平滑”并不控制電機的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以“平 滑”并不產生微步，而細分的微步是可以用來定位的。
2．電機的相電流被平滑后，會引起電機力矩的下降，而細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。
2．電機的相電流被平滑后，會引起電機力矩的下降，而細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。
★ ★16.單極性驅動器與雙極性驅動器能否通用？
◆單極性驅動器不能代替雙極性驅動器使用，而雙極性驅動器能夠代替單極性驅動器使用。由于兩種驅動器的電流分配方式不同，其驅動步進電機的效果也不一樣。單極性驅動器（例如：HSM8672），是專門用于采用單極性接法的四相步進電機。例如有五線、六線、八線幾種引線方式四相步進電機，既能夠使用單極性驅動器，又能夠使用雙極性驅動器（例如：HSM1524-8）。但是，要達到*效率，還是針對性地選擇驅動器為好。
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