步进马达的步距角计算方法

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就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”)，它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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

步进电机的一些基本参数：

电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如SL86S2114A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩（HOLDING TORQUE）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

DETENT TORQUE：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

步进电机的一些特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2．步进电机外表允许的最高温度。

步进电机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，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

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；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

步距角18°步进电机原理

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，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。

----百度百科

如上图，步进电机主要由转子和定子构成。

转子由永久磁芯和两个磁帽构成，两个磁帽分别安装在永久磁芯的两端，且磁帽的端面有50个小齿，每相邻两个齿之间夹角7.2°。

转子主要由四组线圈绕组与外壳构成，外壳上有48个小齿，每相邻两个齿之间夹角7.5°。当给不同的绕组通电时，会在电机内部产生不同的磁场。

还有一点要说明的是，电机转子与定子所使用的材料，均为高磁导率材料，一般为铸铁，碳钢等等。由于这类材料磁导率高于空气，当电机内部产生磁场时，绝大部分磁感线将优先从这些材料中通过，仅有极少数磁感线泄漏到空气中，因此外壳上的小齿与转子上的小齿将优先被磁化。

电机的端部剖面示意如下图：

由于永久磁芯的作用，装在磁芯上的两个磁帽被磁化，一段磁性为N，一段磁性为S，且由于磁帽的磁导率远高于空气，使得上面50个小磁极上分布有较强的磁场。

定子上有4个磁极对，也即4个绕组A-A，B-B，C-C，D-D。4个绕组沿圆周方向均匀分布。当给一个绕组通电时，通电的绕组线圈会在电机内部产生感生磁场，形成一对磁极。由于定子材料的高磁导率作用，外壳的小齿上会产生较强的磁场。

步进电机是怎么转起来的？

步进电机在未通电时，定子位置是不确定的，但是步进电机一旦通电，例如让A-A通电，如图红色区域便会产生磁场。由于磁帽已被磁化，在磁场的作用下，转子的小齿与定子的小齿相互吸引，定子必定会到达新的平衡位置，容易分析，平衡位置一定如上图所示。

这里所谓的平衡位置，指的是磁阻最小处，红色区域外壳上的小齿会与定子的一组小齿完全对齐（如上图A-A），达到平衡状态。

若此时改变绕组的通电状态，使得B-B通电，A-A断电，此时电机内部磁场发生变化，定子的小齿与转子的小齿在磁场的作用下相互吸引，转子沿着图示逆时针方向转动，并达到下一个平衡位置，即与B-B外壳上对应的小齿完全对齐；

继续切换通电状态，使得C-C绕组通电，则转子继续沿着磁阻最小处转动，与C-C外壳处的小齿对齐，不难发现，持续依次改变A-B-C-D的通电状态，转子便会转动起来。

PART 02

步距角为什么是1.8°？

在对以上步进电机转子和定子结构的介绍时，我们可以发现，转子到达平衡位置时转过的角度，正是使得绕组上小齿与转子小齿相对对齐的位置。在结构分布上分析这个角度，我们会发现这个角度恰好是1.8°。

由此可以解释，为什么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。即步进电机每收到一个脉冲，刚好走过一个步距角。

当步进电机收到一个脉冲时，即发生高低电平转换。所谓高低电平转换，即驱动器改变了一次各绕组的通电状态，例如由A-A绕组通电，变化为让B-B绕组通电，此时电机内形成的磁场发生改变，磁阻最小处变化到B-B绕组所在的小齿附近，转子由于磁力作用，必定向B绕组转动，然后在平衡位置停下来，也即转过了一个步距角。

PART 03

为什么有的电机标注的步距角为1.8 or 0.9°？

通过以上分析我们已经知道，步进电机的步距角是由电机结构决定的，既然如此，为何电机手册上会标记两个步距角可选呢？

注意一个问题，上面我们的通电顺序是A-B-C-D绕组依次循环，假设我们换一种通电顺序，例如：A-A绕组通电，达到如图的平衡位置；

再给一个脉冲，切换通电绕组对，让A-A和B-B绕组同时通电，此时电机内部会产生新的磁场分布，转子必定会逆时针旋转，旋转多少角度呢？容易分析，磁阻最小处在A-A绕组与B-B绕组对应外壳小齿的中心处，分析这个转动的角度，不难发现，恰好是步距角1.8°的一半，即是0.9°的步距角；

那么此时再让B-B绕组通电，不难理解，会达到B绕组小齿完全对齐处，转过的角度自然也是0.9°。

类比一下，不难发现，只要改变通电的顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，如此循化下去，步进电机也会顺利的转动起来，且此时的步距角就为0.9°，这就是步进电机结构上细分的原理。

说到细分，问题又来了，我们经常会在步进电机驱动器上看到，可以选择不同的细分数，有的最高可以到40000细分，那么这又是什么原理呢？答案将会在下一期揭晓！

下一期预告：

步进电机与步进驱动器、控制器接线图

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