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步进电机

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步进电机原理说明

Θ 联科绣花网　　Θ 添加时间：2005-9-22 　　绣花问答-欢迎您提问或热心帮助解答他

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步进电机原理说明

一、前言

电脑绣花机中步进电机是最重要的角色，如果没有步进电机就没有今天的电脑绣花机。

步进电机把数字信号变成机械运动。在电脑绣花机中驱动 X,Y 框架运动，驱动换色移

动，早年的绣花机 Z 轴驱动都用步进电机（武汉美佳单头就是代表）所以步进电机在电

脑绣花机中意义重大，我收集了一些资料奉献给大家。

1.步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况

下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影

响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步

进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电

机来控制变的非常的简单。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。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行

开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅

仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情

况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户

在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

二、感应子式步进电机工作原理（一）反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原

理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。

1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分

别与转子齿轴线错开。0、1/3 て、2/3 て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表

示），即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3 て，C 与齿 3 向右错开 2/3 て，A'与

齿 5 相对齐，（A'就是 A，齿 5 就是齿 1）下面是定转子的展开图：

2、旋转：如 A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子不

受任何力以下均同）。如 B 相通电，A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向

右移过 1/3 て，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 て，齿 4 与 A 偏移（て-1/3 て）=2/3 て。如

C 相通电，A，B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 て，此时齿 4

与 A 偏移为 1/3 て对齐。　如 A 相通电，B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右

移过 1/3 て这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电

机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉

冲）1/3 て,向右旋转。如按 A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位

置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不

过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BC－C-CA-A

这种导电状态，这样将原来每步 1/3 て改变为 1/6 て。甚至于通过二相电流不同的组

合，使其 1/3 て变为 1/12 て，1/24 て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推

出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m……(m-

1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条

件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考

虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 Ф）当转子与定子错开一定

角度产生力 F 与（dФ/dθ）成正比

其磁通量 Ф=Br*S Br 为磁密，S 为导磁面积 F 与 L*D*Br 成正比 L 为铁芯有效长度，D

为转子直径 Br=N·I/RN·I 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R 为磁阻。力矩=力*半径力

矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，

励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

（二）感应子式步进电机

1、特点：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，

以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的

耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电

势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应

子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也

可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四

相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现

其条件为 C= ,D= . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直

接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将

其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电

机绕组串联或并联使用。

2、分类感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机

等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG 为感应子式步进电机代

号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像

70BYG、90BYG、130BYG 等均为国内标准。

3、步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m

表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过

一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-

AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电

机转子转过的角位移用 θ 表示。θ=360 度（转子齿数 J*运行拍数），以常规二、四

相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 θ=360 度/（50*4）=1.8 度（俗

称整步），八拍运行时步距角为 θ=360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步）。定位转

矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差

造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力

矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然

静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增

加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

4、步进电机动态指标及术语：

1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表

示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行

时应在 15%以内。

2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产

生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况

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