步进电机基本原理

　　工作原理：

通常，电机的转子是永磁体。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生矢量磁场。磁场会带动转子旋转一个角度，使转子的一对磁场的方向与定子的方向一致。定子的矢量磁场旋转一个角度时。转子也与磁场成一定角度旋转。每次输入电脉冲，电机都会旋转一个角度向前移动。其输出角位移与输入脉冲数成正比，其转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电顺序，电机就会反转。因此，控制脉冲的数量和频率以及电机各相绕组的通电顺序可以用来控制步进电机的旋转。

　　发热原理：

一般各种电机内部都有铁芯和绕组线圈。绕组有电阻，上电会产生损耗，损耗与电阻和电流的平方成正比。这就是我们常说的铜损。如果电流不是标准的DC或正弦波，也会产生谐波损耗；铁芯有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗。其大小与材料、电流、频率、电压有关，称为铁损。铜损和铁损都以热的形式表现出来，影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和转矩输出，效率低，电流大，谐波成分高，电流交变的频率也随转速变化。所以步进电机普遍发热，比普通交流电机更严重。

　　步进电机工作效率如何

虽然步进电机已经得到了广泛的应用，但步进电机并不像普通的DC电机，常用的是交流电机。只有由双环脉冲信号和功率驱动电路组成的控制系统才能使用。所以步进电机不好用，涉及到机械、电机、电子、计算机等很多专业知识。

　　如何使步进电机的效率最大化

很多人在使用两相步进电机时，发现步进电机的转矩很小或者达不到额定标称转矩值，不得不增大步进电机的尺寸和标称电流，以满足功率要求。其实有时候不是电机问题，而是步进电机的选择或者驱动器工作电流的设定有问题，没有充分发挥步进电机的最大效率。

首先，从驱动器方面来说，目前大部分两相步进电机的驱动器采用四线连接，全桥输出。如果两相步进电机也是四线制，应该说根据电机的额定电流来设定驱动器是正确的，效率最高，输出转矩可以达到最大值。

早期生产的步进电机大部分由两相六线制(四组两对串联线圈，每对有一个中心抽头)和少量八线制(四组两对独立线圈)组成。

两相六线步进电机有两种连接方式。第一种是放弃中心抽头，连接两端。其实每组的两相线圈都是串联的。电机堵转力矩大，效率高，但高速性能差。二是连接中心抽头和一端。这种连接有较好的高速性能，但每相有一套线圈空闲，所以堵转力矩小，效率低。目前多采用第一种接线方式。这就引出了一个问题。两相驱动的电流要设置正确，一般是根据电机的额定电流值来设置，导致前面提到的电机效率问题。

步进电机的标记电流一般是相电流(或电阻)，即每组线圈的电流值(或电阻)。如果两相六线步进电机采用第一种连接方式，相当于串联两组线圈，那么每相的电阻会增大，额定工作电流会减小，即使驱动器设置为额定电流，也达不到每相的额定输出值。所以在选择驱动器和步进电机时要注意电流匹配问题。正确的做法是将驱动器的输出电流设置为步进电机额定相电流的0.7倍(一般不认为串联的电流减半)。比如一台带中心抽头的两相步进电机，标称电流为3A，驱动电流应设置为3倍0.7=2.1A，虽然选择了3A的步进电机，但其功率实际上相当于2.1A的两相四线步进电机.

先说八线步进电机连接。也有两种。第一种是每两组线圈串联，这样驱动器的电流也设定为电机相电流的0.7倍。这种连接发热量小，但高速时性能差。第二种连接是每两组线圈并联使用，驱动器的电流设置为电机相电流的1.4倍。它的优点是高速性能更好，但是电机发热很多，但是步进电机的温度正常，只要低于电机的消磁温度即可。步进电机消磁温度一般在105度左右。

使用预设输出电流的步进电机驱动器(参考两相全桥输出驱动器，如TB6560、A3977等高集成度驱动器芯片)后，选择步进电机非常重要。如果你的司机是2A，尽量选择两相四线2A电机。如果选择两相六线电机，则应选择额定相电流为2/0.7=2.9A(约)的电机。只有这样，传动的效率才能最大化。

如果选择的驱动器是半桥输出(如SLA7062M、SLA7026等驱动器芯片)，则只能接一个两相六线电机，驱动器的电流与电机的标称电流一致。但是这种驱动非常

少用到，效率低。

　　对于六线和八线步进电机，采用相线圈并联，可以发挥最大的输出转矩，表现出很好的动力性能，六线电机是无法接成并联形式的，实际已经在内部串联起来了，串联的公共端是中心抽头。只有八线电机的相线圈是可以并联使用的。

　　如果能将电机后盖打开，看一下里边的接线结构，是可以进行改动的，使六线电机变成八线电机，这样就可以并联使用了，但不是所有的六线电机都能改制，只有能从电机后面看到连线接头形式的可以改动，有的电机是焊盘接头，改制就需要一定的技术了。经改制的步进电机，原来串联的也可以并联使用，并联使用时相电流是原来的1.4倍，高速运转性能大大提高，转矩也提高不少。对于步进电机和驱动器的使用，应该注意发挥其最佳效果，不必一味追求高价位和大电流，追求高速度，应该认真计算一下机器的载荷，看看到底需要多大的转矩和速度，否则即便驱动器和电机都选得很大，但是其效果并没有发挥出来，速度也不应追求过高，实际加工过程中，机器进刀量一般不大（受制于机械结构、刀具及加工材料材质），速度高了也用不上。

　　电机和驱动器做好匹配可以省钱省力，达到事半功倍的效果。

　　提高步进电机减速机工作效率的有效方法

　　在工业生产中除了质量外，生产效率是最重要的，因为它直接影响着公司的利益，所以，提高设备工作效率是非常有必要的，下面是提高步进电机减速机工作效率的方法：

　　1、步进电机减速机加工精度提高到ISO5-6级；

　　2、使步进电机减速机结构设计更合理；

　　3、使得步进电机减速机的轴承质量和寿命提高；

　　4、理论知识的日趋完善，更接近实际（如齿轮强度计算方法、修形技术、变形计算、优化设计方法、齿根圆滑过渡、新结构等）。

　　步进电机选型的步骤与方法

　　1、 步进电机转矩的选择步进电机的保持转矩，近似于传统电机所称的“功率”。当然，有着本质的区别。步进电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，电机的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小（即所要带动物体的扭力大小），来选择哪种型号的电机。大致说来，扭力在0.8N.m以下，选择20、28、35、39、42（电机的机身直径或方度，单位：mm）;扭力在1N.m左右的，选择57电机较为合适。扭力在几个N.m或更大的情况下，就要选择86、110、130等规格的步进电机。

　　2、 步过电机转速的选择对于电机的转速也要特别考虑。因为，电机的输出转矩，与转速成反比。就是说，步进电机在低速（每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大），在高速旋转状态的转矩（1000转/分--9000转）就很小了。当然，有些工况环境需要高速电机，就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十mH，电阻也要大一些为好。

　　3、 步进电机空载起动频率的选择步进电机空载起动频率，通常称为“空起频率”。这是选购电机比较重要的一项指标。如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在1000转/分钟左右（或更高），通常需要“加速启动”。如果需要直接启动达到高速运转，最好选择反应式或永磁电机。这些电机的“空起频率”都比较高。

　　4、 步进电机的相数选择步进电机的相数选择，这项内容，很多客户几乎没有什么重视，大多是随便购买。其实，不同相数的电机，工作效果是不同的。相数越多，步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些。大多数场合，使用两相电机比较多。在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电机是比较实用的。

　　5、 针对步进电机使用环境来选择特种步进电机能够防水、防油，用于某些特殊场合。例如水下机器人，就需要放水电机。对于特种用途的电机，就要针对性选择了。

　　6、 根据您的实际情况可否需要特殊规格特殊规格的步进电机，请和我们沟通，在技术允许的范围内，加工订货。例如，出轴的直径、长短、伸出方向等。

　　7、 如有必要最好与厂家的技术工程师进一步沟通与确认型号。