雷赛步进电机选型资料

设计分析

esignandanalysis



黄捷建，王军，肖哲之

（深圳市雷赛智能控制股份有限公司，广东深圳518052）



摘要：如何选择合适步进电动机，用好步进电动机，是业界非常关注的问题。文章从步进电动机的控制原

理、电机主要参数、电机选型方法等方面进行阐述，重点论述步进电动机的供电电压、电流选择，不同电压对矩频曲

电机不同接线方式的性能对比，电机高速性能提升办法，电机温升降低办法，电机低频共振线的影响原理及程度，



。降低方法

关键词：步进电动机；选型；步进电动机驱动器；参数



中图分类号：TM383．6文献标识码：A文章编号：1004－7018（2012）05－0029－05

ApplicationExperienceofStepperMotorinEquipmentManufacturingIndustry

HUANGJie－jian，WANGJun，XIAOZhe－zhi



（ShenzhenLeadshineTechnologyCo．，Ltd．，Shenzhen518052，China）



Abstract：Steppermotorselectionandapplicationexperiencehavebeguntoattractattentionfromindustry．Thestepper

controltheory，thesteppermainparameters，andtheprocessformotorselectionwereintroduced．Theselectionofstepper

powersupplyvoltandcurrent，thevoltinfluenceontorque－speedcurve，comparisonofdifferentperformancecausedby



differentwirediagram，highspeedapplicationimproving，temperatureriselowering，vibrationandnoiselevelloweringwere

introduced．

Keywords：steppermotor；selection；steppermotordrive；parameter



的角速度而达到调速的目的。因此在需要准确定位

0引言

或调速控制时均可考虑使用步进电动机。20世纪60年代后期，步进电动机不使用反馈装置就可以进行速度控各种实用性步进电动机应运而生且发



制及定位控制（即开环控制），所以这种驱动方案既展较快。步进电动机已经能与直流电机、异步电机，经济又可靠。在装备制造业的设备、仪器中，步进驱以及同步电机并列，成为电动机的一种基本类型。



。2080，动已经得到了非常广泛的应用但很多用户技术人我国自世纪年代中期以来对步进电动机的

员对如何选用适宜步进电动机，如何使步进驱动性精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动



能最佳发挥还是有较多疑问。本文论述了步进电动机及驱动器已经在各行业得到广泛应用。步进电动机的选型方法，重点介绍一些步进电动机工程应用机有反应式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB



经验，以推动步进电动机在装备制造业的更广泛普型）三种类型。混合式步进电动机综合了前两种形及。式步进电动机的优点，目前国内的装备制造业中所



用步进电动机基本都是混合式步进电动机。本文以

1步进电动机的选型步下介绍的步进电动机均指混合式步进电动机。

进

1．1步进电动机简介步进电动机结构如电

动步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，图1所示。如步进电动机在

它根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前机由转子（转子铁心、永装

备进一定的角度，励磁状态不变时则保持一定位置静磁体、转轴、滚珠轴承），

制［1］

止。由此，步进电动机可以将输入的脉冲信号转定子（绕组、定子铁心），造

业化为对应的角位移进行输出。通过控制输入脉冲的前后端盖等组成。典型

中的

数量可以准确确定输出的角位移以实现定位的功的两相混合式步进电动应能；而通过控制输入脉冲的频率可以准确控制输出机的定子有8个大齿，图1步进电动机结构示意图用

经

40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9验



，45，50。个大齿个小齿转子有个小齿收稿日期：2011－02－15

29改稿日期：2011－03－21步进电动机无法直接连通电源工作，也无法直

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步进电动机在装备制造业中的应用经验

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

接接收电脉冲信号，

它必须通过特殊的接口，即步进

电动机驱动器来实现和电源、控制器的交互。步进电动机驱动器如图2所示，

一般由环形分配器及功

率放大电路组成。环形分配器接收来自控制器的控制信号。每接收到一个脉冲信号环形分配器的输出

就会转换一次，因此，脉冲信号的有无和频率就可以决定步进电动机转速的高低、

加速还是减速、起动还

是停止。环形分配器还必须监测控制器的方向信号，

从而决定其输出状态的转换是正序或反序，从而确定步进电动机的转向。

图2步进电动机控制原理图1．2步进电动机的主要参数

（1）机座号：主要有35、39、42、57、86、110等。

（2）相数：步进电动机内部的线圈数，步进电动

机相数一般有二相、三相、五相。中国使用的步进电动机以二相为主，

三相也有部分应用。日本则较多

用五相步进电动机。

（3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过

的角位移。步进电动机的步距角计算公式如下：

θ360°b=

2mzr

式中：θb

为步进电动机步距角；m为步进电动机相

数；zr为步进电动机转子齿数。

按照以上计算公式，二相、三相、五相步进电动机的步距角分别是1．8°、

1．2°和0．72°。

（4）保持转矩：是指电机定子绕组通额定电流，但转子没有转动时，

定子锁住转子的转矩。保持转

矩是步进电动机的最重要参数，是电机选型的主要依据。步进（5）定位转矩：是指电机没有通电流的情况下，电

动机

用外力转动转子所需要的扭矩。该转矩是评价电机在

性能指标之一，在其它参数相同的情况下，定位转矩装“齿槽效应”越小，制越小表示

对电机低速运行的平稳备性越有利。造业（6）矩频特性：主要指牵出矩频特性，中

电机稳定的

运行在某一转速时所能够承受不失步的最大转矩。应矩频曲线用来描述不失步的最大转矩与转速（频用经率）的关系。矩频曲线是步进电动机的重要参数，验

是电机的选型主要依据之一。

（7）额定电流：保持额定转矩，所需要的电机绕30

组电流有效值。

1．3步进电动机的选型

工业应用中所用步进电动机速度高达600～1500r/min，更高转速，建议选用伺服驱动方案较合适。步进电动机选型步骤如图3所示。

图3步进电动机选型步骤

（1）步距角的选择

如上所述，按照电机相数不同，有三种步距角：1．8°（二相）、1．2°（三相）、0．72°（五相）。当然五相的步距角精度最高，但其电机及驱动器价格较昂贵，所以国内极少采用。再加上现在的主流步进驱动器都采用了细分驱动技术，在4细分以下，细分步距角精度还是可以保证的，所以如果单独从步距角精度的指标考虑，五相步进电动机可以由二相或三相步进电动机取代。

例如，在某种导程为5mm的丝杆负载应用中，如果采用二相步进电动机，驱动器设置在8细分，则电机每转的脉冲数为200×4=800个，脉冲当量为5÷800=0．00625mm=6．25μm，此精度可以满足大部分应用要求。

（2）静转矩（保持转矩）选择

常用负载传动机构有同步带、丝杆、齿轮齿条等，客户需首先计算其机器负载（主要是加速转矩加上摩擦转矩）折算到电机轴上所需负载转矩。然后按照电机所需最高运行速度，分以下两种不同使用情况，选用合适保持转矩的步进电动机。

①对所需电机速度为300r/min以下的应用：如机器负载折算到电机轴上所需负载转矩为T1，则此负载转矩再乘以一个安全系数SF（一般取1．5～2．0），即得到所需步进电动机的保持转矩Tn。

②对所需电机速度为300r/min以上的应用：设最高转速nmax，如机器负载折算到电机轴上所需负载转矩为T1，则此负载转矩再乘以安全系数SF（一般取2．5～3．5），即得到保持转矩Tn。参考表1，初选一种合适型号。然后再利用矩频曲线进行查验对比：在矩频曲线上，用户所需的最高转速nmax，对应此最高速度的最大失步转矩为T2，则此最大失步转矩T2需比T1大20%以上。否则，需重新选定保持转矩大一个规格的电机，按照新选电机的矩频曲线重新查验对比。

（3）电机机座号选择：电机机座越大，其保持转矩越大。步进电动机的常见机座号及保持转矩范

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

围，如表1所示。两组曲线对比可知，在低速运行时，不同供电电

表1步进电动机的常见机座号及其保持转矩能产生转矩基本一样；但压（68V与48V）条件下，

电机120r

/min，68V速度在以上供电能产生的转矩明保持转矩范围典型型号

机座

显比48V

供电高。因此如需要步进电动机速度较

390．06～0．2N·m39HS01，39HS02

仍要求较大转矩，需为驱动器选用尽可能高的高时，420．2～0．3N·m42HS02，42HS03

570．6～2．2N·m57HS09，57HS13，57HS22，573S09，573S15电压。

862．2～12N·m86HS35，86HS45，86HS85，86HS120，863S42

步进电动机出厂时会给出步进电动机的额定电

11012～28N·m110HS12，110HS20，110HS28

压，此电压其实就是电机的额定电流与电机绕组电13028～45N·m130HS27，130HS33，130HS40，130HS45



。阻的乘积一般的应用经验是输入电压一般选定在按照步骤（2）中计算得到的保持转矩Tn，从图

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4中选择适宜的机座号及相应电机具体规格。（4）按照额定电流来选定配套步进驱动器，例

如，某电机57HSS22的额定电流为5A（并联接法），则选配的驱动器的允许最大电流需5A以上（请注

意是有效值而不是峰值），否则如果选了一款最大电流仅3A的驱动器，

则电机的最大输出转矩仅能

60%左右。

2步进电动机的应用经验2．1步进电动机驱动器的电压等级决定其力能指标步进电动机的几个重要公式：E=Ken（1）此公式可知步进电动机的反电动势E与电机转速n成正比。

I=U－E

R（2）

因为U=E+Ldidt+IR，这里暂时忽略Ldi

dt

。式中U为驱动器供电电压，R为电机绕组电阻。T=KTI（3）

式中：T为转矩；KT为转矩常数；I为绕组电流。以上三个公式可以解释为何步进电动机的转矩

随着电机转速的增大而降低：随着电机转速n的上升，反电动势E越来越大；在U一定的条件下，

E的增大导致能够产生的绕组电流越来越小；所以能够产生的转矩也越来越小。

图4是某电机在驱动器不同供电电压情况下的矩频曲线对比。由图4可知，步进驱动器的供电电压对电机的高速性能有较图4某电机在不同电压大影响。情况下的矩频曲线供电电压为48V时，随着电机转速的上升，电机能输出的最大转矩在明显变小，例如在120r/min时，失步转矩为6．2N·m，但在速度高到600r/min时，失步转矩仅剩1．6N·m。步进电动机额定电压的3～25倍。步进电动机一定时，供电电压越高，步进电动机在中高速能产生的力矩越大，越有利于需要高速应用的场合，但电机的发热随着电压、电流的增加而加大，所以要注意步进电动机的温升限值。2．2步进电动机驱动器的电流设定对某种步进电动机，在低速运行时，其失步转矩随着绕组电流的增大接近成正比，这个与永磁同步电机一样。但是随着转速的上升，由以上分析可知，通过电机绕组的实际电流已经在明显降低，所以在速度较高时，为驱动器设定较大的电流并不能提高电机的高速性能，而且会导致电机温度太高，所以电机驱动器电流值一般设定在额定电流的70%～100%。

57HS22电机在驱动器峰值电流设定在5．6A时，不同转速的绕组电流波形如图5、图6所示。图557HS22电机在1r/s时的绕组电流波形

图657HS22电机在15r/s时的绕组电流波形从图5、图6的比较可知：在低速时，电机绕组电流波形是标准的正弦波，幅值为5．6A左右。但随着转速的增加，电流波形明显偏离正弦波，而且幅值降低很快，

15r/s时，电流幅值降低到2A以下。2．3如何降低步进电动机运行时的壳体温度

电机的损耗主要是铁耗和铜耗。

铁心损耗PFe：电枢铁心中磁场交变，会产生涡步进

电

动机在

装

备制

造

业中的

应

用经验31

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流损耗和磁滞损耗。铁耗随着磁密的增大及电流的

频率增大而增大。对相同速度的步进电动机和交流伺服电机（以8极伺服电机为例），

前者的电流频率是后者的12．5倍，因此前者的铁耗比后者大很多。

铜损耗：电枢回路电阻损耗Pa=I2

aRa；步进电动

机不管在轻载或额定负载，其电流都是按照额定电流运行，

而交流伺服电机的空载或轻载电流极小，其

电流大小由负载大小决定，所以在应用中，伺服电机的铜耗一般也远小于步进电动机的铜耗。特别是低

速应用更是如此。

综合以上两个方面的分析可知，步进电动机的

损耗远高于伺服电机的损耗，步进电动机的效率远低于伺服电机的效率。其最直接的结果就是尺寸接

近的两种电机，步进电动机的温升一般会远高于伺服电机的温升。例如，

在工业应用中步进电动机的

壳体温度达到80℃以上是很常见的，而伺服电机的壳体温度一般都在50℃以下。步进电动机一般为B

级绝缘，小部分为F级绝缘，因此电机工作在壳体温度为90℃以内是正常的，

不会影响电机性能。

降低步进电动机壳体温度办法：

（1）选用厚度较薄的定转子冲片。例如用冲片

厚度为0．35mm的步进电动机比厚度为0．5mm的温升会低一些

。

（2）为驱动器选用电压等级比较低的电源。我们曾经做过一个对比测试

：57HS13步进电动机，驱动器供电电源分别为36V和48V，电机以2r/s的速度空载连续运行，环境温度为

28℃。然后测试各自的壳体稳态温度。结果表明前者的壳体稳态温度

为47℃，

后者的温度为58℃，区别非常明显（但要注

意中高速力矩会变小）。

（3）适当降低驱动器的设定电流（但要注意中低速力矩会变小）。

（4）驱动器设定在半流状态。在电机停止后一定时间内（如几百毫秒）驱动器自动把绕组电流减步进半，电机停止时铜耗降低为全流时的1/4。电

动2．4步进电动机的不同接线方式对性能的影响机



在

常见的二相步进电动机有三种引出线：4引出装6引出线、8引出线。工程师对4引出线步进电制线、

备动机的使用很熟悉。下面重点介绍单极性驱动、双造

业极性驱动以及6引出线、8中

引出线步进电动机的使的

用方法。应

单极性驱动原理如图7所示。早期的步进电动用经机多为单极性驱动，优点是驱动电路较简单，驱动器验



成本较低，但其控制模式为每一相都由半绕组轮流通电，

一半绕组没得到充分利用，电机的力能指标相32应较小。

图7单极性驱动原理图

双极性驱动如图8所示。目前步进电动机多为双极性驱动，优点是绕组得到充分利用，电机的力能指标较高。缺点是驱动器所需元件比单极性驱动多一些，但目前电子器件价格已较低，所以双极性动器与单极性驱动器成本已很接近。

图8双极性驱动原理图

（1）6引出线步进电动机可采用以下三种驱动模式：单极性驱动、双极性驱动半绕组（高速模式）、双极性驱动全绕组（高力矩模式）。

（2）8引出线步进电动机可采用以下三种驱动模式：单极性驱动、双极性驱动并联接法、双极性驱动串联接法。

步进电动机不同的接线模式参如图9所示。不

同的接线模式，

驱动器的电流设置不同。很多电机厂的6线和8线电机的图纸仅给出单极性接法的额

定电流，实际应用中，不同接法具体步进驱动器电流的设置方法如下：

4线电机：输出电流为电机额定电流值（实际应用为降低电机温度，略小于电机额定电流值）。6线电机高速模式：输出电流为电机单极性接法额定电流的100%。

6线电机高力矩模式：输出电流为电机单极性接法额定电流的50%。

8线电机并联接法：输出电流为电机单极性接

法额定电流的100%，

高速性能好。8线电机串联接法：输出电流为电机单极性接

法额定电流的50%，低速力矩大

。

图10是某8线电机在并联接法与串联接法的

设计分析

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

矩频曲线对比。有效方法。在150r/min以下，细分驱动对降低电

细分越大，对降低机振动效果是很明显的。理论上，



步进电动机振动效果越好，但实际情况是，细分增大到8或16以后，对降低步进电动机振动的改善效果

［2］

就已经达到极致了。

近几年国外已有抗低频共振的步进驱动器上

图10步进电动机在并联接法与串联接法的矩频曲线对比

AM系列产品，市，目前国内也有雷赛的DM、采用了

图10表明，串联接法的步进电动机，随着电机

抗低频共振技术。该系列驱动器利用谐波补偿，通

转速的提高，失步转矩急剧下降，在速度为3r/s时，

过幅值、相位的匹配补偿，可以极大程度地降低步进

转矩已经下降到0．4N·m（不到保持转矩的1/3）。

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因此，当电机所需的最高转速高于2r/s时，建议用电动机低频振动，实现电机低振动低噪声运行。

并联接法来保证电机有足够的输出转矩。装备制造

2．7步进电动机细分对定位精度的影响业所用步进电动机绝大部分为并联接法。步进电动机细分驱动电路不但可以提高装备运2．5三相步进电动机与二相步进电动机

动的平稳性，而且可以有效地提高装备的定位精度。与二相电机比较，三相电机的主要优点如下：试验表明：在同步带传动的运动平台上，步进电动机（1）步距角小，分辨率更高，为二相步进电动机

4细分时，电机每步都可以准确定位。的1．5倍，能进行高精度定位。3结语（2）相同尺寸的电机，三相比二相步进电动机

能产生更大的转矩，加速性能较好。本文从工程应用角度出发，给出步进电动机的（3）两相步进电动机受到激磁电流的三次谐波

选型方法，

以及诸多步进电动机工程应用经验。可影响，而三相步进电动机的三次谐波由三相步进电以帮助技术人员更好、更有效率地选择和使用步进动机的构造抵消，所以与二相步进电动机相比，三相

电动机。对推动步进电动机在装备制造业的应用与步进电动机的振动噪声较小。普及有一定参考作用。

（4）齿槽转矩比二相步进电动机小，所以三相

参考文献步进电动机低速平稳性较好。［1］程树康，刘宝廷．步进电动机及其驱动控制系统［M］

．哈尔滨：正因为三相步进电动机具有以上优点，价格仅

哈尔滨工业大学出版社，

2007．比两相步进驱动的价格略高一点，所以近几年三相［2］李劲松，左力．步进电机细分数对运动平台性能影响的研究［J］．伺服与运动控制，2008（3）：49－50．

步进驱动呈现越来越快的增长势头。

2．6步进电动机的低频共振问题作者简介：黄捷建（1973－），男，高级工程师，从事无刷电机、永细分步进驱动器是降低步进电动机低频共振的

磁交流伺服电机和电机驱动器的设计、应用推广。（上接第28页）检测、

存储和联锁保护等电路完善系统电气设计。误差曲线放大图，其中跟踪误差最大值不超

过参考文献0.12°，即2mil。该实［1］AnalogDevices公司．LowpowerCMOScompleteDDSAD9833

验结果间接表明了［M］．AnalogDevices，inc．，2002．RDC变换电路具有较

［2］AnalogDevices公司．Variableresolution，resolver－to－ditital高的变换精度和良好converterAD2S83［M］．AnalogDevices，inc．，1998．

的线性度。

［3］AnalogDevices公司．MAX7000Aprogrammablelogicdevice［M］．5结语

图7跟踪误差曲线放大图

AnalogDevices，inc．，2002．［4］TEXASINSTRUMENTS．TMS320F28xDSPCPUandinstruction本文介绍了双通道旋转变压器位置检测系统的setreferenceguide［M］．TexasInstruments，2004．

［5］TEXASINSTRUMENTS．TMS320F281xDataSheet［M］．Texas

硬件设计和软件设计过程，给出了设计的步骤和关Instruments，2004．键技术解决方案，并通过实验验证了RDC变换电路［6］黄科元，董恒，黄守道．旋转变压器在高速永磁同步电动机中具有高于16位的变换精度和小于0．006%的线性的应用［J］．微特电机，2008（2）：10－11．度。经多次实验验证此硬件电路原理简单，工作稳

定；软件程序思路简洁，执行稳定、效率高，具有很好作者简介：庄文许（1985－），男，博士研究生，主要研究方向为的工程应用价值，在此基础上可根据设计需求，添加非线性系统控制方法与智能控制技术。步

进电动

机

在装备制造业

中的

应

用经验33

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xry1.html