步进电机驱动方式的分类及比较
步进电机
转角：由脉冲数控制 转速：由脉冲频率控制
转向：由方向信号确定
步进电机的分类
可变磁阻式（VR型）:转子以软铁加工成齿状，
当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故 其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并 不大。其步进角通常为15°。 永久磁铁式（PM型）：转子由永久磁铁构成， 其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。 依转子材质区分，其步进角有45°、90°及 7.5°、11.25°、15°、18°等几种。 混合式（HB型）：转子由轴向磁化的磁铁制成， 磁极做成复极的形式，兼采可变磁阻式步进电机 及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩 大、步进角度小。混合式步进电机随着相数（通 电绕组数）的增加，步进角减小，精度提高，这 种步进电机的应用最为广泛。
步进电机减速器
减速器是一种动力传达 机构，利用齿轮的速度 转换器，将电机的回转 数减速到所要的回转数， 并得到较大转矩的机构。 减速机具有减速及增加 转矩功能，用于低转速 大扭矩的传动设备。 原理：轴上的齿数少的 齿轮啮合输出轴上的大 齿轮来达到减速的目的。
手动脉冲发生器 （码盘）
不需要驱动器，直接接步进电机，多用于手动控制数控 机床的面板。
4．动作灵敏：步进电机因为加速性能优越，所以可做 到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。 5．开回路控制、不必依赖传感器定位：步进电机的控 制系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器就 能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回 路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位 控制的场合下使用。 6．中低速时具备高转矩：步进电机在中低速时具有较 大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输 出。 7．高信赖性：使用步进电机装置与使用离合器、减速 机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误 动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。 8．小型、高功率：步进电机体积小、扭力大，尽管于 狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。
步进电机及驱动器原理知识【知识讲解】课件
应用案例二：机器人
机器人是另一个重要的应用领域。步进电机驱动器通 常用于控制机器人的关节运动，如机械臂、腿部等部位。
在机器人中，步进电机驱动器通过控制脉冲信号的频率 和数量，可以精确控制机器人的运动速度和位置。同时， 步进电机驱动器还具有体积小、重量轻、可靠性高等优 点，因此在机器人领域得到了广泛应用。
合适的驱动器。
驱动器的应用实例
要点一
驱动器的应用实例
步进电机驱动器广泛应用于各种自动化设备中，如数控机 床、机器人、打印机等。
要点二
应用实例解析
以数控机床为例，通过使用步进电机驱动器，可以实现高 精度的加工和准确的定位控制，从而提高加工效率和产品 质量。
03
步进电机驱动器的应用领域与案例分析
应用领域
工作原理
步进电机内部通常由一组带有线圈的转子组成。当线圈接收到一个脉冲信号时，会旋转一个角度，从而带动转子 旋转相应的角度。
步进电机的特点与分类
特点
步进电机具有高精度、高分辨率、高可靠性、低噪声等优点，同时也可以适应高频率的脉冲控制。
分类
根据结构和工作原理的不同，步进电机可分为永磁式、反应式和混合式等多种类型。
设计实例与注意事项
实例1
01 某款步进电机驱动器的设计，采用ULN2003芯片，
实现电机正反转和调速功能。
注意事项1
02 在设计过程中，需要考虑输入电源的稳定性以及过流、
过压等保护措施。
注意事项2
03
在调试过程中，需要观察驱动器的输出波形和电机运
行状态，确保正常运行。
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步进电机及驱动器原理知识课 件
CONTENTS
• 步进电机原理及特点 • 步进电机驱动器 • 步进电机驱动器的应用领域与
步进电机
原理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号
转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。 特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
优点
（1）直接实现数字控制；
（2）控制性能好； （3）无接触式； （4）抗干扰能力强； （5）误差不长期积累；
1.3.3 单步运行特性
1.单步运行时的矩角特性和稳定区 以三相单三步运行方式为例，设电机空载时，A相通电 时的矩角特性如图4中的曲线A所示，转子处于稳定平衡点 OA。如加一脉冲，A相断电，B相通电，则矩角特性变为曲 线B。 M
A
A
B
B
OB OA
A
B
θ
b
θ定区
步进电动机的步距角θ b由转子齿数、定子相数和通电 方式所决定，即
360 b mCZ k
式中m为相数。C为状态系数，采用单、双拍通电方式时 C＝2，采用单拍或双拍通电方式时C＝1。ZK为转子齿数。
若步进电动机所加的通电脉冲频率为f，则其转速为
60 f n mCZ k
1.3 静态运行特性
步进电动机不改变通电状态下的运行特性称
M B M max sin(e 120)
MB 与MA 相距120°电度角。这是一条与A相特性完全相同， 但相位上相差120°（电度角）的特性。当A、B同时通电时，合 成矩角特性应为二者之叠加，即
M AB M A M B M max sin(e 60)
可见MAB是一条幅值与单相通电时相同，相移60°电度角(θt/6) 的正弦曲线，如图3中曲线MAB所示。
1.3.4 连续运行特性
步进电机选型手册
负载稳定性：考虑负载的稳定性对电机性能的影响
运动特性
步进电机的精度与步距角成正比
步进电机的转速与脉冲频率成正比
步进电机的转矩与电流成正比
步进电机的响应速度与驱动电路有关
环境条件
温度：需要考虑电机的工作温度范围，以及环境温度对电机性能的影响
湿度：需要考虑电机的工作湿度范围，以及环境湿度对电机性能的影响
步进电机的特点：精确定位、易于控制、响应速度快
步进电机的应用：广泛应用于自动化设备、机器人、数控机床等领域
步进电机的分类
按照控制方式分类：开环控制、闭环控制、半闭环控制
按照驱动方式分类：直流驱动、交流驱动、混合驱动
按照结构分类：永磁式、混合式、感应式
按照步距角分类：整步、半步、微步、超微步
步进电机的性能参数
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汇报人：
噪音：步进电机的噪音越小，工作环境越安静
控制方式：选择合适的控制方式，如开环控制、闭环控制等
驱动器：选择合适的驱动器，如直流驱动器、交流驱动器等
步进电机品牌与型号推荐
国际品牌推荐
德国西门子：SINAMICS系列步进电机，性能稳定，质量可靠
美国罗克韦尔：PowerFlex系列步进电机，性能优异，价格适中
步距角：电机每转一圈的步数
效率：电机输出的能量与输入的能量的比值
响应时间：电机从静止到启动的时间
转速：电机每分钟的转数
精度：电机定位的精确度
扭矩：电机输出的力矩
步进电机选型要点
负载特性
负载类型：恒定负载、周期性负载、冲击性负载等
负载大小：根据实际需求选择合适的电机功率
负载频率：根据电机的转速和转矩特性选择合适的负载频率
海拔：需要考虑电机的工作海拔范围，以及海拔对电机性能的影响
步进电机的计算方法
步进电机的计算方法1.根据驱动方式选择步进电机型号：步进电机主要分为两种驱动方式，即双相驱动和四相驱动。
双相驱动的步进电机具有较高的输出转矩，适用于需要较大负载的应用，而四相驱动的步进电机输出转矩较低，适用于速度要求较高的应用。
2.计算步进电机运转速度：步进电机的运转速度主要受到步进角度和脉冲频率的影响。
步进角度一般是固定的，常见的有1.8度和0.9度。
计算步进电机运转速度的公式为：速度=步进角度×脉冲频率。
3.计算步进电机的步进角度：步进电机的步进角度是指每接收到一个脉冲信号，电机旋转的角度。
常见的步进角度有1.8度和0.9度。
计算步进电机的步进角度的公式为：步进角度=360度÷步进电机的相数。
4.计算步进电机的电压和电流：步进电机在运行时需要供应一定的电压和电流来驱动。
计算步进电机的电压和电流的方法是根据电机的工作电压和绕组电阻。
电机的绕组电阻一般可以从电机的技术参数中获取。
计算步进电机的电压的公式为：电压=电流×电阻。
5.计算步进电机的输出功率：步进电机的输出功率是指电机在工作时提供的机械功率。
计算步进电机的输出功率的方法是根据电机的输出转矩和转速。
输出功率的公式为：输出功率=转矩×转速。
6.计算步进电机的加速度和减速度：步进电机的加速度和减速度是指电机从静止状态到达最大速度和从最大速度减速到停止状态所需要的时间。
计算步进电机的加速度和减速度的公式为：加速度（或减速度）=（最大速度-初始速度）÷时间。
7.计算步进电机的负载惯性：步进电机在运行时会受到负载惯性的影响，计算步进电机的负载惯性的方法为负载惯性=负载质量×负载半径的平方。
以上是步进电机的计算方法的一些基本介绍，根据实际需求，其他还有一些特殊的计算方法，比如控制系统的设计和驱动方式的选择等，需要根据具体情况进行进一步的研究和计算。
反应式永磁式混合式步进电机优缺点对比
反应式永磁式混合式步进电机优缺点对比
步进电机按照结构分类可以分为反应式步进电机、永磁式步进电机以及混合式步进电机，那么这三类电机有什么优缺点呢？汉德保小编就为大家解答一下。
反应式步进电机：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。
结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证
永磁式步进电机：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。
其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。
混合式步进电机：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。
其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。
对比一下这三种结构分类的步进电机优缺点
反应式步进电机
优点：结构简单、成本低、步距角小，可达1.2⁰，
缺点：动态性能差、效率低、发热大、可靠性难保证。
永磁式步进电机
优点：动态性能好、输出力距大
缺点：精度差、步矩角大，一般为7.5⁰或15⁰
混合式步进电机
优点：输出力矩大、动态性能好、步矩角小，一般达到1.8⁰，配上半步驱动器，减小为0.9⁰，配上细分驱动器后，可细分到256倍。
缺点：结构复杂、成本相对较高
另外混合式步进电机也叫感应式步进电机，叫法因人而异，下次汉德保为大家讲解一下步进电机按照绕组的分法可以叫做哪几种。
步进电机
主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源， 主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，
带惯性负载的能力不强。 带惯性负载的能力不强。
种类： 种类： 磁阻式(反应式) 励 磁 方 式 永磁式 混合式
转子有多相磁极，而转子用软磁材料制成,三相 转子用永磁材料制成，这样可提高电机 的输出转矩，减少定子绕组的电流。两 相 两相、三相和五相
1 结构
步进电机主要由两部分构成：定子和转子。 步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均 由磁性材料构成，其上分别有六个、 由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。 定子绕组
反应式步进电机的定子上有 磁极， 磁极，每个磁极上有激磁绕 转子无绕组， 定子组，转子无绕组，有周向均 布的齿， 布的齿，依靠磁极对齿的吸 合工作。 合工作。如图所示为三相步 进电机，定子上有三对磁极， 进电机，定子上有三对磁极， 分成A、 、 三相 三相。 分成 、B、C三相。为简 化分析，假设转子只有4个 化分析，假设转子只有 个 齿。
以上三种工作方式， 以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。
2 步进电机的主要特性 2.1 步距角及其精度 指每给一个脉冲信号，电动机转子应转过角度的 理论值。它取决于电机结构和控制方式。步距角 可按下式计算：
根据结构分类 步进电机可制成轴向单段式和多段式。多段式又 称为轴向分相式，定子每相是一个独立的段，各 段只有一个绕组，结构完全相同，
1－ 线圈
2－ 定子
3－转子
三段式（三定子）轴向分相步进电机 三段式（三定子）
旋转励磁型5相步进电机 减速－制动复合型5相步进电机
步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动 步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（ ）。控制器 脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量， 控制器（ 器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的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， 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。 速的目的。
机械电子学-第6章 步进电动机的驱动与控制
认识步进电动机
功能 • 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 • 转角 ∝脉冲信号的个数； • 转速 ∝脉冲信号的频率。 • 转向取决于脉冲信号的相序
f
相
f N
通电脉冲频率 拍数
步进电动机的特点
2) 步距角
步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
S
360 ZrN
N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
N=3 时
S
360 40 3
3
1 单拍制
拍数：N=km m:相数 k=
整步
2 双拍制
半步
步距角不受各种干扰因素的影响。
步进电动机的特点
2) 步距角
步进电动机的特点
3) 转速
每输入一个脉冲，电机转过
S
360 ZrN
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转
因此每分钟转过的圆周数，即转速为
n
60f ZrN
60f 360 360Z r N
s f
6
(r / min)
步进电动机的特点
4)误差不长期积累。 5）可实现数字信号的开环控制，控制系统廉价。 6）步进电机具有自锁能力
齿距角 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含
120/9 = 13 1 齿 3
A 相和 C 相差240，含240/ 9 =26 2个齿。所以， A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，3B 相、C 相不能 对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的 转子、定子相差2/3个齿（6）。
步进电机的分类
步进电机的分类
步进电机可以分为以下几种分类：
1. 永磁式步进电机：通过在转子内部放置永磁体来生成磁场，转子和定子之间的磁场交互作用产生转矩，实现步进运动。
2. 双绕组式步进电机：包括两个绕组，每个绕组都有自己的阻抗相串联，通过改变绕组的电流方向和大小来控制转子的步进运动。
3. 双极步进电机：拥有两种状态，每次只能从一种状态转换到另一种状态，转子通过磁场的吸引力而产生步进运动。
4. 四相步进电机：有四个相位绕组，通过控制绕组的电流来产生引力转子并实现步进运动。
5. 全/半步进电机：通过变化绕组的电流来控制转子的步进运动。
全步进电机每次只进行一个步进，而半步进电机可以在一个步进中进行更小的增量运动。
6. 隔离式步进电机：在永磁转子和定子之间使用气体或液体作为隔离媒介，以减少摩擦和磨损，并提高步进电机的精度和寿命。
这些是常见的步进电机分类，根据不同的应用需求和工作原理，可能还存在其他
类型的步进电机。
机器人的常见驱动方式
机器人的常见驱动方式一、直流电机驱动方式直流电机是机器人中常见的一种驱动方式。
直流电机驱动方式具有结构简单、控制方便、响应速度快等优点。
直流电机驱动方式适用于需要较高速度和力矩的机器人应用，例如工业机器人、自动化生产线上的机械臂等。
直流电机的驱动方式主要包括电压控制和电流控制两种方式。
在电压控制方式下，通过改变电压信号来控制电机的转速和方向；在电流控制方式下，通过改变电流信号来控制电机的转矩和速度。
二、步进电机驱动方式步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械旋转的电机，广泛应用于机器人领域。
步进电机驱动方式具有定位精度高、运行平稳、可控性强等优点。
步进电机的驱动方式主要包括全步进驱动和半步进驱动两种方式。
全步进驱动方式下，每个电磁线圈的驱动信号为一个脉冲信号，电机转动时会按照脉冲信号的频率和方向进行步进运动；半步进驱动方式下，每个电磁线圈的驱动信号为两个相位差90度的脉冲信号，电机转动时会按照脉冲信号的频率和方向进行半步步进运动。
三、交流电机驱动方式交流电机是机器人中常见的驱动方式之一。
交流电机驱动方式具有结构简单、成本低廉、可靠性高等优点。
交流电机的驱动方式主要有两种，分别是单相交流电机驱动和三相交流电机驱动。
单相交流电机驱动方式适用于小功率的机器人应用，例如家用机器人、娱乐机器人等。
三相交流电机驱动方式适用于大功率的工业机器人应用，例如焊接机器人、装配机器人等。
交流电机的驱动方式主要通过改变电压和频率来控制电机的转速和扭矩。
四、气动驱动方式气动驱动方式是机器人中常见的一种驱动方式。
气动驱动方式具有力矩大、速度快、反应灵敏等优点。
气动驱动方式适用于需要快速执行力矩较大任务的机器人应用，例如喷涂机器人、装卸机器人等。
气动驱动方式主要通过压缩空气来驱动执行器实现机器人的运动。
气动驱动方式在机器人应用中需要配备气源供应系统、气动执行器和气动控制系统等。
五、液压驱动方式液压驱动方式是机器人中常见的一种驱动方式。
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步进电机驱动方式的分类及比较
步进电机驱动方式的分类及比较：步进电机驱动方法的分类主要有单极性和双极性驱动方式、恒
电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式和细分驱动方式。以下是这几种驱动方式的简介及比较。
1 恒电压驱动方式
1．1 单电压驱动
单电压驱动是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。如图2所示，L为电机绕
组，VCC为电源。当输入信号In为高电平时，提供足够大的基极电流使三极管T处于饱和状态，若忽略其
饱和压降，则电源电压全部作用在电机绕组上。当In为低电平时，三极管截止，绕组无电流通过。
为使通电时绕组电流迅速达到预设电流，串入电阻Rc；为防止关断T时绕组电流变化率太大，而
产生很大的反电势将T击穿，在绕组的两端并联一个二极管D和电阻Rd，为绕组电流提供一个泄放回路，
也称“续流回路”。
单电压功率驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后，
功耗加大，整个功率驱动电路的效率较低，仅适合于驱动小功率步进电机。
1．2 高低压驱动
为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，
出现了高低压驱动方式。
如图3所示，Th、T1分别为高压管和低压管，Vh、V1分别为高低压电源，Ih、I1分别为高低端的
脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。
高低压驱动可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，
容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其控制电路较单电压复杂，可靠
性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。
2 恒电流斩波驱动方式
2．1 自激式恒电流斩波驱动
图4为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D／A转换
器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲，自激式恒
电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的
浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。
2．2 它激式恒电流斩波驱动
为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题，可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基
本上能解决振荡问题，但仍然存在一些问题。比如：当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时
钟上升沿之间时，该控制信号将丢失，一般可通过加大D触发器时钟频率解决。
3 细分驱动方式
这是本文讨论的重点，也是该系统采用的驱动方法。细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率
提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩；其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，
降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部
分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定
电流是台阶式的投入或切除。比如：电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分，
如图5所示。
一般的细分方法只改变某一相的电流，另一相电流保持不变。如图5所示，在O°～45°，Ia保持
不变，Ib由O逐级变大；在45°～90°，Ib保持不变，Ia由额定值逐级变为0。该方法的优点是控制较
为简单，在硬件上容易实现；但由图6所示的电流矢量合成图可知，所合成的矢量幅值是不断变化的，输
出力矩也跟着不断变化，从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的
差值已大于所要求细分的微步距角，使得细分实际上失去了意义。
这就是目前常用的细分方法的缺陷，那么有没有一种方法让矢量角度变化时同时保持幅值不变呢?
由上面分析可知，只改变单一相电流是不可能的，那么同时改变两相电流呢?即Ia、Ib以某一数学关系同
时变化，保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。基于此，本文建立一种“额定电流可调的等角度恒力矩
细分”驱动方法，以消除力距不断变化引起滞后角的问题。如图7所示，随着A、B两相相电流Ia、Ib的
合成矢量角度不断变化，其幅值始终为圆的半径。
下面介绍合成矢量幅值保持不变的数学模型：当Ia=Im·cosx，Ib=Im·sinx时（式中Im为电流额
定值，Ia、Ib为实际的相电流，x由细分数决定），其合成矢量始终为圆的半径，即恒力距。
等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样。额定电流可调是指可满足各种系列电机的要求。例如，
86系列电机的额定电流为6～8 A，而57系列电机一般不超过6 A，驱动器有各种档位电流可供选择。细
分为对额定电流的细分。
为实现“额定电流可调的等角度恒力距”，理论上只要各相相电流能够满足以上的数学模型即可。
这就要求电流控制精度非常高，不然Ia、Ib所合成的矢量角将出现偏差，即各步步距角不等，细分也失去
了意义。下面给出了基于该驱动方法的驱动器的设计方案。
4．单极性和双极性是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进
电机的两组相位，电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。
这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说
法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或
双极性驱动电路