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7.15

步进电机结构和工作原理分析

步进电机的最大特点是数字性，上位机发过来的每一个脉冲信号，在驱动器的推动下运转一

步，接收到一串脉冲则连续运转相应的角度。通过脉冲频率和脉冲数量精确控制步进电机的

转速和角度。

混合式步进电机的优点

混合式步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，定子上有多相绕组、转子采用永磁

材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度，两相步进电机为48齿，步矩角1.8度，

三相步进电机为50齿，步矩角1.2度，输出力矩大、抖动噪音小。

步进电机精度和细分的关系

步进电机的精度为步矩角的±5%，且没有累积误差。关于步进电机的精度有两个常见误区，

一是把系统的精度误差全部归结为电机的问题，二是以为细分越高精度越高。

从步进电机的角度来说，需要满足一些公差标准，包括机械公差和电气公差。相绕组电感的

均衡，极靴、转子的对准，定转子间气隙的均匀，定转子齿槽的关系，以及转矩脉动等都是

关系步进电机精度的重要因素。只要制造商使用可靠的、高品质的设备，合格的部件，优良

的工艺控制，就能获得满意的精度。

两相步进电机步矩角为1.8度，步矩精度为5.4弧分。在电机品质优良的前提下，通过驱动

细分技术可以提高步矩精度。但这不等于细分越高精度越高，两相步进电机驱动器常见256

细分，理论上可以实现51200步/转，然后两相步进电机由于物理结构的限制，其最高分辨

率约8000步/转，若驱动细分设置为10000步/转，必然存在大小步的现象。如果用户追求

更高的精度最好使用三相步进电机，其步矩角为1.2度，步矩精度为3.6弧分，物理精度高

于两相步进电机，其次加工精度是与振动紧密相关的，三相步进电机运行平稳，可以大大提

高加工精度。

步进电机的速度越高力矩越小

步进电机不是恒力矩输出，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；

速度越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随或速度的增大而相电流减小，从而导致

力矩下降。矩频特性是步进电机固有特性，但不是一成不变的，提高相电流、提高驱动电压、

优化驱动器性能和脉冲增减模式，都可以提高步进电机的高速性能。

步进电机和交流伺服电机的选型比较

在选择步进还是伺服的选型上涉及控制方式、负载的性质、转矩、惯量、转速、精度、响应

频率、供电电源等很多因素。传统观念里交流伺服比较步进电机的三大优势在于：闭环、高

精度、高速度。其实大部分设备是不需要反馈电机角度的，采用闭环往往是对丢步的顾虑，

步进电机和驱动技术已经非常成熟，只要选型得当就不存在丢步的问题。在精度方面，交流

伺服电机与三相混合式步进电机的极数都是50极，如上面提到的细分一样，电子齿轮比并

不能极大提高交流伺服精度。在实际应用中选择步进还是伺服最重要的因素是速度和响应频

率，交流伺服的高速恒力矩，适用于高速场合，其瞬间电流放大特性使得其响应频率也远高

于步进电机，步进电机的相对优势则在于低速力矩大，简单易用，成本低。

步进电机使用温度和发热解决方法

步进电机的使用环境温度为-20～+50℃，在低于-20

温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允

许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，品质合格的步进电机磁性材

料的退磁点都在摄氏130度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

对步进电机表面温度的控制，达到一个平衡即可，步进电机温度高的场合往往是高电压

大电流，因为用户需要高速大力矩，例如110HB三相步进电机的表面温度常常达到95度以

上，增加电压和提高电流可以提高转速和增大力矩，虽然步进电机发热并未导致步进电机损

坏，但是温度过高以后也会产生临时退磁，欲速而不达。

长期高温状态下工作还会导致永久性磁衰减和线圈老化，这就是有的步进电机用了一年多力

矩就不够了的主要原因。

步进电机作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用。许多用户朋友在使

用步进电机的时候，感觉电机工作时有较大的发热，心存疑虑，不知这种现象是否正常。实

际上发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进

电机发热呢？本文将对这些问题做一简单的分析。

7.15

关于高速步进电机发热问题的进一步介绍

对于各种步进电机(高速步进电机)而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，

通电会产生损耗，损耗大小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

不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产

生损耗，其大小与材料