步进电机性能浅谈

摘要：  早期步进电机是作为昂贵的位置控制应用中伺服电机的低成本替代产品，而新兴的计算机工业迅速将其采用到外设应用当中。步进电机的主要优势在于能提供开环位置控制，而成本只是需要反馈的伺服系统的几分之一。

关键字：  步进电机，  电机，  电感

早期步进电机是作为昂贵的位置控制应用中伺服电机的低成本替代产品，而新兴的计算机工业迅速将其采用到外设应用当中。步进电机的主要优势在于能提供开环位置控制，而成本只是需要反馈的伺服系统的几分之一。在过去，步进电机有时被误称为“数字”电机，因为它们常用正交方波驱动。但是，对这些电机的这种狭隘看法常常会在以后的项目开发过程中导致大难题。步进电机像其它磁“模拟”电机一样产生扭矩。多数步进电机的阻尼因数很低，导致一定步频下的欠阻尼运行和对谐振问题的敏感度。这些问题常常使步进电机比其它电机拓扑更难对付。

多数步进电机采用双凸极设计，转子和定子结构上均有齿如，永久磁性位于转子上，电磁包含在定子中。多数设计包含 2 个定子相位，由正交相位信号独立驱动。驱动这些相位有许多方法，包括全步进、半步进或微步进，取决于使用的控制技术。每种情况下都会确定子磁通矢量，转子上的磁性将尝试与该矢量保持一致。由于转子和定子的齿数不同，产生的移动或步进可能极小。对齐之后，定子电流立即按这种方式发生变化，以增加定子磁通矢量角度，从而使电机移动到下一个步进。由于多数应用中没有位置反馈，转子磁通可以与定子磁通保持一致，这会产生无助于电机运行的定子电流。因此，步进电机没有其它常用电机那样有效。

由于多数步进电机的步进角相对较小，因此不是高速应用的最佳选择。某些应用需要定子电流来完全更改每个步进的极性。与定子线圈关联的电感通常会阻止这种变化，电流达到新水平需要一段时间。步频较高时，电流再次变化之前可能无法完全达到稳定状态值。因此，驱动相位的电压必须以更快的速度增加，以使电流变化更快。但最终会达到增益递减点，此时就无法再进行高速运行。

如前所述，步进设计因其固有的低阻尼因数，常常受到共振问题的困扰。这会增加可闻噪声，严重情况下还会导致错误步进。为了消除这些问题(并增加步进分辨率)，步进绕线通常使用正弦波形驱动，而非方波。这时，电机称为微步进。在微步进应用中驱动步进的一种常用方法是，将每个线圈置于单独的 h 桥电路中，然后利用处理器中的 pwm 调节正弦波形。但设计者必须记住，增加步进分辨率不一定会增加步进精度，尤其是在开环应用中。这由两个因素造成：

1、实际与指令转子位置将受到电机负载影响，如步进的静态扭矩曲线所示。实际轴角可以与指令步进角相差几个微步进，具体取决于扭矩负载。

2、步进角精度还受制造转子和定子结构的电机设计和容限的影响。用于微步进应用的步进电机制造标准较高，因此较为昂贵。但是，微步进仍常常与便宜的步进电机配合使用，仅为提高共振敏感度。