步进电机的分类、特点、工作原理及其与伺服电机的区别详解

步进电机又称脉冲电机，是一种将电脉冲信号转换为相应角位移或线位移的电动机。其工作原理基于每次接收一个电脉冲信号，电机的转子就会精确地转动一个固定的角度（步进角）或向前移动一个固定的距离，输出的位移（角位移或线位移）与输入的脉冲数成正比，转速则与脉冲频率成正比。由于这种特性，步进电机能够实现开环位置控制，即不需要反馈就能精确控制转动位置和速度，只需控制脉冲的数量、频率以及电机绕组的相序，即可精准控制电机的转动角度、速度和旋转方向。

步进电机的核心优势在于其数字控制的特性，它直接接受数字控制信号（电脉冲序列）并将其转化为机械位移，非常适合需要精确位置控制和速度控制的应用场合，如3D打印、数控机床、机器人、精密仪表、自动控制系统等。与传统电机系统相比，步进电机控制系统的成本较低，调整简便，且在静态和低速状态下能保持良好的定位精度和稳定性。

步进电机的分类

在相同电流、相同扭矩输出的条件下，单极步进电机的线圈数量是双极步进电机的两倍，成本更高，控制电路的结构也不同。双极步进电机。

步进电机类型通常根据转子特性和结构上的定子绕组进行分类。下面道合顺将详细描述这两种分类。

按转子分类

转子有三种类型，第一种是带有永磁体的转子，第二种是带有转子齿的齿轮，第三种是带有永磁体和转子齿的齿轮。

按转子分类主要有反应型（VR型）、永磁型（PM型）、混合型（HB型）三种。

可变磁阻步进电机 

定子上有绕组，绕组由软磁材料构成。其结构简单，成本低，步距角小，可达1.2°，但动态性能差，效率低，发热量大，可靠性难以保证。

永磁步进电机

永磁步进电机的转子由永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好，输出扭矩大，但这种电机度数较差，步距角较大（一般为7.5度或15度）。

混合式步进电机

混合式步进电机结合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点。定子上有许多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子上都有多个小齿，以提高步进精度。其特点是输出扭矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂、成本较高。

按定子分类

具有两个定子的电机称为两相电机。

具有三个定子的电机称为三相电机。

具有五个定子的电机称为五相电机。

步进电机按定子上的绕组分类，有两相、三相、五相系列。目前最流行的是两相混合式步进电机，占据97%以上的市场份额。

此类电机的基本步距角为1.8度/步。添加半步驱动器后，步距角减小至0.9度。添加细分驱动器后，步距角最多可细分256倍（0.007度/微步）。由于摩擦力和制造精度的原因，实际控制精度稍低。同一个步进电机可以配备不同的细分驱动器来改变精度的效果。

步进电机的特点

1. 精确的位置控制

根据输入脉冲的数量，确定轴的旋转角度。位置误差非常小（小于 1/10 度）并且不会累积。

2. 精确的速度

步进电机的转速取决于输入电脉冲的频率，可以实现精确控制，调节方便。因此被广泛应用于各种运动控制领域。

3.正反转、急停、锁定功能

可以在整个速度范围内实现对电机扭矩和位置的有效控制，包括静态扭矩。在电机锁定状态下（电机绕组中有电流，但没有外部旋转脉冲指令输入），仍保持一定的扭矩输出。

4.低速条件下的精确位置控制

步进电机无需调节变速箱即可在很低的速度下平稳运行，同时输出很大的扭矩，避免功率损失和角位置偏差，降低成本，同时节省空间。

5、使用寿命更长

步进电机的无刷设计保证了电机较长的使用寿命。步进电机的寿命通常取决于轴承。

步进电机工作原理 

下面道合顺将详细阐述步进电机的工作原理。

步进电机采用脉冲信号控制，每输入一个脉冲信号，步进电机就前进一步。步进电机旋转的步距角是根据电机结构通过比例控制产生的。如果控制电路的细分控制不变，那么步进器旋转的步距角理论上是固定角度。实际工作中，电机旋转的步距角会略有不同，这主要是由于电机结构上的固定误差造成的，而且这种误差不会累积。

步进电机的总极数越大，对加工精度的要求就越高。通常工业混合式步进电机的步距角为1.8度，即200极。

流入定子线圈的电流方向与磁极方向的关系

步进电机的相电流和磁场遵循安培右手螺旋定律。由电能产生磁场能，控制电机相电流使电机定子磁极方向反转，两相磁场变化配合，从而产生电机的旋转。发动机。

如果电流方向改变，磁极方向也会改变。电流流过定子产生磁场的过程称为励磁。

两相步进电机和三相步进电机的区别

• 电机相数：这意味着电机内部的线圈数量不同。两相步进电机由两个线圈组成，而三相步进电机由三个线圈组成。
• 电机步距角：指的是电机每一步的角度。一般市面上两相电机的步距角为0.9°/1.8°，三相电机为0.75°/1.5°。
• 电机尺寸：三相电机一般都是大型电机，因此尺寸一般都比两相电机大，这也决定了三相步进电机比两相电机运行更平稳。
• 片刻：两相电机的扭矩会比同尺寸的三相电机的扭矩稍大。
• 精确：两相步进电机驱动器的细分功能越来越强大，两相也能达到三相能达到的精度。

三相步进电机比两相步进电机具有良好的高速性能（较硬的特性）、更小的步距角、更好的精度。由于扭矩随着转速的增加而缓慢减小，因此通常用于精度要求较高的场合。

步进电机和伺服电机的区别

伺服电机与步进电机

步进电机是一种离散运动装置，它与现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用非常广泛。随着全数字交流伺服系统的出现，交流伺服电机越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，大多数运动控制系统都采用步进电机或全数字交流伺服电机作为执行电机。虽然两者在控制方式（脉冲串和方向信号）上相似，但在性能和应用上却存在较大差异。现在比较一下两者的性能。

控制精度

两相混合式步进电机的步距角一般为3.6度和1.8度，五相混合式步进电机的步距角一般为0.72度和0.36度。还有一些步距角较小的高性能步进电机。例如四通公司生产的慢走丝机床用步进电机，步距角为0.09度；德国BERGER LAHR生产的三相混合式步进电机，其步距角可通过拨码开关设置为1.8度、0.9度、0.72度、0.36度、0.18度、0.09度、0.072度、0.036度，兼容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。以松下全数字交流伺服电机为例，对于标准2500线编码器的电机，由于驱动器内部采用了四倍频技术，脉冲当量为360度/10000=0.036度。对于17位编码器的电机，驱动器每接收到217=131072个脉冲，电机就旋转一圈，即其脉冲当量为360度/131072=9.89秒。是步距角1.8度的步进电机脉冲当量的1/655。

低频特性

步进电机在低速时容易产生低频振动。振动频率与负载情况和驱动器的性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机工作原理决定的低频振动现象，对机器的正常工作十分不利。当步进电机低速工作时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，如在电机上加阻尼器或在驱动器上采用细分技术。

交流伺服电机运行非常平稳，即使低速也不会振动。交流伺服系统具有共振抑制功能，可以弥补机械刚性的不足，并且系统内部具有频率分析功能（FFT），可以检测机械的共振点，方便系统调整。

扭矩频率特性

步进电机的输出扭矩随着转速的升高而减小，在较高转速时会急剧下降，因此其最高工作转速一般为300-600RPM。交流伺服电机具有恒扭矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）内，可以输出额定扭矩，在额定转速以上，为恒功率输出。

过载能力

步进电机一般不具备过载能力。交流伺服电机具有很强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和扭矩过载能力。其最大扭矩为额定扭矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。由于步进电机不具备这样的过载能力，为了克服这个惯性矩，往往需要选择扭矩较大的电机，而机器正常工作时不需要这么大的扭矩，所以有一个出现扭矩浪费的现象。

表现

步进电机的控制是开环控制。如果启动频率太高或负载太大，很容易丢步或失速。当速度太高时，容易造成超调。因此，为了保证其控制精度，应妥善处理。上升和减速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制。驱动器可以直接采样电机编码器的反馈信号，形成内部位置环和速度环。一般情况下，步进电机不会出现丢步或超调的现象，控制性能比较可靠。

速度响应性能

步进电机从静止加速到工作速度（通常为每分钟数百转）需要200至400毫秒。交流伺服系统的加速性能良好。以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于需要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，常采用步进电机作为执行电机。因此，在控制系统的设计过程中，应综合考虑控制要求、成本等多种因素，选择合适的控制电机。

步进电机是将电脉冲转换为角位移的执行器。通俗地说：当步进驱动器接收到脉冲信号时，驱动步进电机按设定的方向旋转固定的角度（和步距角）。

可以通过控制脉冲数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机旋转的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机有永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）三种类型

永磁步进一般为两相，扭矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

反应式步进一般为三相，可以实现大扭矩输出。步进角一般为1.5度，但噪声和振动较大。在欧美等发达国家，20世纪80年代已被淘汰；

混合步进是指混合了永磁式和反应式的优点。分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为0.72度。这种类型的步进电机应用最广泛。

步进电机的应用

步进电机因其独特的优点，在众多领域和行业中得到了广泛应用，以下是一些典型的应用场景：

1. 制造业与工业自动化：

   • CNC机床：在数控机床中，步进电机用于精确控制刀具或工件的定位，提高加工精度。

   • 包装机：控制包装材料的精确裁切、封口等，确保包装的尺寸和质量。

   • 激光打标/雕刻机：通过精确控制激光头的位置和移动路径，实现精细的图案雕刻或标记。

   • 自动化装配线：在各种自动化设备中控制部件的精确定位和移动，如电子元件的插装。

2. 办公自动化与打印设备：

   • 打印机、绘图仪：控制纸张的送进、打印头的横向移动，实现高精度打印。

   • 复印机、扫描仪：在扫描和复印过程中控制原件或纸张的精确移动。

3. 医疗设备：

   • X光机、CT扫描仪中的定位控制。

   • 电动轮椅和病床，提供平滑、可控制的移动能力。

   • 医疗检测与实验设备，用于样本处理或精确测量。

4. 汽车及运输行业：

   • 汽车测试设备：用于模拟不同温度条件下的组件耐久性测试。

   • 发动机控制：早期的一些应用中，用于精确控制发动机的某些辅助系统，如排放控制阀门。

5. 家用电器及消费电子：

   • ATM机、自动售货机中的货币或商品分拣与传送。

   • 安防监控：云台的精确定位控制，使摄像头能准确跟踪或扫描目标区域。

   • 家用机器人和智能家电，如扫地机器人，用于控制移动和执行任务。

6. 航空航天与国防：

   • 雷达系统中天线的精准旋转控制。

   • 航天器内部组件，需要精确控制而无需复杂反馈机制的场合。

7. 纺织机械：

   • 电脑绣花机、织布机，在纺织品制造中实现图案的精确编织和定位。

#步进电机#的应用覆盖了从高端技术产业到日常生活的方方面面，凡是需要精确控制位置、速度和运动序列的场合，都可能是步进电机的舞台。