工业控制领域，很多工业设备的运动离不开步进电机。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电机，又称为步进马达、脉冲电机、步进电动机。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电机，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。步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率，来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就可以驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”。

　　图1、步进电机原理简图步进电机基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩，步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步，因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需的转角、速度和方向。步进电机在工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统，所以不需要反馈电路，这就使得步进电机控制简单、精度高，当您希望将转子驱动至指定位置时，非步进电机需要根据反馈电路来确定转子的位置。但是，步进电机却不需要这些反馈，因为它可以简单地执行多个步进。实际运用中步进电机与控制器是不可分割的整体，通过MCU产生的控制脉冲信号是弱电信号，需要经过驱动电路功率放大后才可以作用在电机的绕组上，使绕组按一定顺序通电。只要各相绕组按既定的顺序轮流通电，步进电机就能产生所需的步进运动。步进电机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装。

　　图2、不需要反馈电路的步进电机(图源：东芝)

　　步进电机有很多种分类标准，按输出功率对电机进行分类时，步进电机如下图所示，功率范围是1W~1000W。步进电机可以实现较大的输出转矩，因此能直接带动较大负载，适合部分大功率的控制应用。

　　图2、按输出功能分类的电机(图源：东芝)

　　按电源对电机进行分类时，步进电机属于直流电机分类中的特殊一项，由于步进电机没有换相碳刷，转动是靠步进驱动给的旋转磁场，因此理论上步进电机也可以算是一种直流无刷电机。

　　图3、按电源分类的电机(图源：东芝)

　　当然，除了功率和供电电源方式外，电机系统还有其他基于电机结构和旋转原理的分类方式。比如步进电机有两种类型，分别是单极型和双极型。在相同电流且相同转矩输出的条件下，单极型步进电机比双极型步进电机多一倍的线圈，成本更高，控制电路的结构也不一样，目前市场上流行的大多是双极型步进电机。

　　图4、单极型和双极型步进电机(图源：东芝)

　　步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的，通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。因此步进电机在构造上通常按照转子特点和定子绕组数量进行分类。 比如按定子数量来分类时，若有两个定子，则称为“2相电机”;若有三个定子，则称为“3相电机”;若有五个定子，则称为“5相电机”。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。2相电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍(0.007°/微步)，由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低，同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

　　图5、2相步进电机(图源：东芝)

　　当步进电机按转子类型进行分类时，可以分为由永磁体制成的转子(PM型)、带转子齿的齿轮形转子(VR型)以及与永磁体组合的齿轮形转子(HB型)等几类。

　　图6、按转子类型分类的步进电机(图源：东芝)

　　以PM型步进电机为例，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致，当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度，每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比，改变绕组通电的顺序，电机就会反转，所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

　　图7、PM型步进电机工作原理

　　步进电机和其它电机比较优缺点都非常的突出，简单来说，步进电机的优点包括电机操作简单，易于通过脉冲信号输入到电机进行控制;不需要反馈电路来反馈旋转轴的位置和速度信息(开环控制);由于没有接触电刷可靠性更高。当然，在诸多优点的衬托下，步进电机的缺点也同样直接，例如需要脉冲信号输出电路;当控制不适当的时候，可能会出现同步丢失现象;由于在旋转轴停止后仍然存在电流而产生热量。

　　图8、步进电机优缺点

　　步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统，开环控制简单可靠，加上检测反馈环节，可构成高性能的闭环控制系统。如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制系统，那么它就属于伺服电机。相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求较高的场合。具体来讲，有以下优点：1、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度(称为步距角)转动，转动的速度和脉冲的频率成正比，有比较宽的转速范围。2、步进电机步距角稳定，只与电机结构等有关，不受电压、电流、温度等各种干扰因素影响。结构简单，使用维修方便，制造成本低。3、步进电机的转动角度与控制脉冲的数目成正比，没有累积误差，每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性。4、步进电机动态性能好，瞬间启动和急速停止、正反转及变速都能在少数控制脉冲内完成。步进电机改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。 5、步进电机体积小，在狭窄的空间内仍可顺利安装，在中低速时具有较大转矩，能够比相同级别的伺服电机提供更大的扭矩输出。步进电机带动负载惯量的能力大，也可以极低速的同步旋转，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方。6、步进电机由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命。7、三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。

　　图9、步进电机爆炸图

　　步进电机的缺点也很明显：1、步进电机如果控制不当容易产生共振，噪音比其他微电机都高，效率较低。2、步进电机不能直接使用交流或直流电源，需要适当的驱动电源才能运行。3、步进电机带负载惯量的能力不强，难以运转到较高的转速，难以获得较大的转矩。4、步进电机可能出现低频振荡和失步。5、步进电机在体积重量方面没有优势，能源利用率低。6、步进电机超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。、7、步进电机铜损铁损都会以发热的形式表现出来，因而步进电机普遍存在发热情况，且比一般交流电机严重。

　　8、步进电机由于受到自身制造工艺的限制，如步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定，但转子齿数和运行拍数是有限的，因此步进电机的步距角一般较大并且是固定的，步进的分辨率低、缺乏灵活性，物理装置容易疲劳或损坏。

　　图10、各种步进电机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。步进电机由步距角(涉及到相数)、保持转矩、电流三大要素组成。确定这三大要素，便能确定步进电机的型号。步进电机选型时可以参考以下步骤进行：1、判断需多大步距角电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度(包括减速)，电机的步距角应等于或小于此角度。永磁式步进电机一般为两相(双极性)和四相(单极性)，步距角一般为3.6度、7.5度、15度、18度，其中7.5度最常见;混合式步进电机分为两相、三相和五相：两相、四相电机步矩角一般为1.8度和0.9度、三相步距角一般为1.2度，而五相步矩角一般有0.36度/0.72度。反应式步进电机一般为三相，步距角一般为1.5度/3度 ，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰。 两相步进电机成本低，低速时的震动较大，高速时力矩下降快，适用于高速且对精度和平稳性要求不高的场合;三相步进电机振动比两相步进电机小，低速性能好于两相步进电机，最高速度比两相步进电机高百分之30至50，适用于高速且对精度和平稳性要求较高的场合;5相步进电机步距角更小，低速性能好于3相步进电机，但成本偏高，适用于中低速段且对精度和平稳性要求较高的场合。2、判断需保持转矩保持转矩也叫静力矩，是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。由于步进电机低速运转时的力矩接近保持转矩，而步进电机的力矩随着速度的增大而快速衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以说保持转矩是衡量步进电机负载能力最重要的参数之一。比如，一般不加说明地讲到1N.m的步进电机，可以理解为保持转矩是1N.m。静扭矩是选择步进电机的主要参数之一，负载大时，需采用大力矩电机，力矩指标大时，电机外形也大。最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度即是负载力矩。或者根据负载特性从理论上计算出来。由于步进电机是控制类电机，所以目前常用步进电机的最大力矩不超过45N.m ，力矩越大，成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置。步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= Ω·M Ω=2π·n/60P=2πnM/60P=2πfM/400(1.8°电机半步工作)其中P为功率，单位为瓦;Ω为每秒角速度，单位为弧度;n为每分钟转速;M为力矩单位为牛顿·米;f为每秒脉冲数(简称PPS)。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。选择步进电机时，在最大同步转矩以内，选用根据运行速度NM(f2)与必要转矩TM表示的运行区域内的电机。安全系数Sf的基准值对象组合产品安全系数(基准值)

对象组合产品	安全系数(基准值)
2相5相步进电机	2
	1.2─2

　　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。步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的保持转矩。保持转矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动(一般是低速)时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，保持转矩应为摩擦负载的2-3倍为好，保持转矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。选取时且勿走入只看保持转矩这一个指标的误区，也就是说并非保持转矩越大越好，要和速度指标一起考虑。根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标，再参考〈矩 - 频特性〉，就可以选择出适合自己的步进电机。如果您认为自己选出的电机太大，可以考虑加配减速装置，这样可以节约成本，也可以使您的设计更灵活。要选择好合适的减速比，要综合考虑力矩和速度的关系，选择出最佳方案。3、判断转速

　　确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如 : 驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：驱动电压越高，力矩下降越慢;电机的相电流越大，力矩下降越慢。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/分)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。步进电机应用于低速场合，转速不超过1000转/分，最好在150-450RPM间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入，且在选择驱动器时采用较高供电电压。还要考虑留有一定的(如百分之30 )力矩余量和转速余量。4、选择合适的电流保持转矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流，应在曲线以下。一般电流0.5A以内的适用于300RPM以内，电流1A以上的适用于300RPM以上。5、电机的安装规格如57、86、110等，主要与力矩要求有关。转动惯量大的负载应选择大机座电机。特殊规格的步进电机，得和原厂沟通，在技术允许的范围内，加工订货。例如，步进电机出轴的直径、长短、伸出方向等。 6、确定加减速常数选择步进电机时，用运行速度NM与必要转矩TM表示的运行区域需控制在最大同步转矩以内。但是控制器输出的脉冲信号，其加减速时的脉冲速度为阶梯状变化，剧烈加减速时段差会增大。因此，在大负载转动惯量的条件下，即使指示进行剧烈加减速也可能无法运行。为使得选用的电机运行更正确，请确认其加减速常数在下表的参考值以上。加减速常数(结合EMP系列的参考值)对象组合产品安装尺寸加减速常数TRS [ms/kHz]

对象组合产品	安装尺寸	加减速常数TRS [ms/kHz]
5相步进电机	20、28、42、60	20以上
	85 (90)	30以上
2相步进电机	20、28 (30)、35、42、 50、56.4、60	50以上
	85 (90)	75以上
	28(30)、42、60、85(90)	0.5以上*

　　表示无需确认此项目。表中的数值为EMP系列设定的下限值。减速机型时也是上述加减速常数。但是，在使用半步，微步时需进行以下换算。

　　TRS – 加减进常数[ms/kHz];

　　– 步距角 [°] ;

　　– 参照下表;i – 减速机型的减速比

对象组合产品	安装尺寸	惯性比
2相5相步进电机	20、28、35	5以下
	42、50、56.4、60、85	10以下
	28、42、60、85	30以下

　　惯性比的确认

　　惯性比按以下计算式计算。惯性比 = JL / J0式中：J0 – 转子转动惯量[kg·m2] ;JL – 全负载转动惯量[kg·m2] ;采用减速电机时，惯性比 = JL / (J0 ·i2 )式中：J0 – 转子转动惯量[kg·m2] ;JL – 全负载转动惯量[kg·m2] ;i – 减速比若步进电机的惯性比大，则起动、停止时的过冲现象与回冲现象也变大，因而会影响起动、稳定时间。但是，控制器输出的脉冲信号，其加减速时的脉冲速度为阶梯状变化，剧烈加减速时段差会增大。因此，若惯性比较大可能导致无法运行。为使得选用的电机运行更正确，请确认其惯性比在下表的参考值以下。惯性比(参考值)对象组合产品安装尺寸惯性比

　　2相5相步进电机20、28、355以下

　　42、50、56.4、60、8510以下

　　28、42、60、8530以下

　　若超过表中数值范围时，建议使用减速机型。7、确定定位精度和振动方面的要求情况

　　判断是否需细分，需多少细分，根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。高精度时，应通过机械减速、提高电机速度或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机。由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V电压外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压(建议：42电机采用直流12V-24V，57电机采用直流24-36V)。当然，12V的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。8、确定“空起频率”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。

　　图11、步进电机9、发热耗损方面的考虑步进电机长时间连续运行的话，会致使温度上升，超过电机内部的耐热等级130(B)温度，使得绝缘性能劣化。随运行速度、负载条件及安装状态等条件不同，上升的温度也会发生变化。请以运行占空比50%以下为基准进行选型。运行占空比超过50%时，请选择转矩较为充裕的电机，并采用降低运行电流的使用方法。运行占空比=(运行时间/(运行时间+停止时间))×10010、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。11、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，以便于确认你要选择的步进机电能否满足你所要求各方面的指标。

　　图12、步进电机选型参数图12、应遵循先选电机后选驱动器原则步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。先明确负载特性，再通过比较不同型号步进电机的静力矩和矩频曲线，找到与负载特性最匹配的步进电机;精度要求高时，应采用机械减速装置，以使电机工作在效率最高、噪音最低的状态;避免使电机工作在振动区，如若必需则通过改变电压、电流或增加阻尼的方法解决。电源电压方面，建议57电机采用直流24V-36V、86电机采用直流46V、110电机采用高于直流80V;大转动惯量负载应选择机座号较大的电机;大惯量负载、工作转速较高时，电机应采用逐渐升频提速，以防止电机失步、减少噪音、提高停转时的定位精度;鉴于步进电机力矩一般在40Nm以下，超出此力矩范围，且运转速度大于1000RPM时，即应考虑选择伺服电机，一般交流伺服电机可正常运转于3000RPM，直流伺服电机可可正常运转于10000RPM。电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速。一电机不失步，二可以减少噪音、同时可以提高停止的定位精度。

　　图13、步进电机及其驱动器13、选择驱动器和细分数电机在90RPM以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。最好不选择整步状态，因为整步状态时振动较大;尽量选择小电流、大电感、低电压的驱动器;配用大于工作电流的驱动器、在需要低振动或高精度时配用细分型驱动器、对于大转矩电机配用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能;在电机实际使用转速通常较高且对精度和平稳性要求不高的场合，不必选择高细分数驱动器，以便节约成本;在电机实际使用转速通常很低的条件下，应选用较大细分数，以确保运转平滑，减少振动和噪音;总之，在选择细分数时，应综合考虑电机的实际运转速度、负载力矩范围、减速器设置情况、精度要求、振动和噪声。步进电机一些驱动芯片选型

　　全球步进电机原厂有美国Lin Engineering、美国ElectroCraft、美国Applied Motion Products、德国Phytron、瑞士Portescap、日本信浓、日本美蓓亚、日本尼得科、日本山洋电气/SANMOTION、日本东方马达、日本多摩川、日本三美、深圳雷赛智能、上海鸣志、重庆优摩特、深圳立三机电、佛山藤尺机电、深圳智创电机、深圳永坤、科力尔、惠利普、中菱科技、万至达等。碎片化的工控元器件市场，以终端产品会长期运行在极高/低温、高湿、强盐雾和电磁辐射的恶劣环境中为前提，所以在稳定性、可靠性和安全性方面要求会比商业级高。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了丰富的工业芯片的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。

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