步进电机保持力矩和定位力矩的概念分析

步进电机又称脉冲电机，是一种基于电磁铁基本原理可以自由旋转的电磁铁，其作用原理是通过气隙磁导率的变化产生电磁转矩。它最初的模型起源于。控制的尝试开始于1990年左右，并应用于氢弧光灯的电极输送机构。这被认为是最初的步进电机。20世纪初，步进电机被广泛应用于自动电话交换机。由于西方资本主义列强争夺殖民地，步进电机被广泛应用于缺乏交流电源的船舶、飞机等独立系统。20世纪50年代末，晶体管的发明逐渐应用于步进电机，使得数字化控制更加容易。20世纪80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的方式出现，步进电机的控制方法变得更加灵活多样。

步进电机保持转矩与定位转矩概念解析

步进电机与其他控制用途的电机最大的区别在于它接收数字控制信号并将其转换成相应的角位移或线位移，是完成数字模式转换的执行元件。此外，它可以开环位置控制，并通过输入脉冲信号获得指定的位置增量。与传统的DC控制系统相比，这种所谓的增量位置控制系统明显降低了成本，几乎不需要系统调整。步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，并与脉冲在时间上同步。因此，只要控制脉冲的数量和频率以及电机绕组的相序，就可以获得所需的旋转角度、速度和方向。

我国步进电机起步于70年代初，成品从70年代中期发展到80年代中期。新品种、高性能电机不断发展。目前，随着科学技术的发展，特别是永磁材料、半导体技术和计算机技术的发展，步进电机已经广泛应用于许多领域。

　　步进电机的基本原理

步进电机作为一种特殊的控制电机，不能直接与DC或交流电源相连，因此需要使用特殊的驱动电源步进电机驱动器。在微电子技术特别是计算机技术发展之前，控制器脉冲信号发生器完全由硬件实现，控制系统使用单独的元器件或集成电路组成控制回路，不仅调试安装复杂，而且消耗大量元器件，一旦定型，需要重新设计电路改变控制方案。这就需要针对不同的电机开发不同的驱动器，开发难度大，成本高，控制难度大，限制了步进电机的普及。

由于步进电机是将电脉冲转化为离散机械运动的装置，并具有良好的数据控制特性，所以计算机成为步进电机的理想驱动源。随着微电子和计算机技术的发展，软硬件结合的控制方式已经成为主流，即通过程序产生控制脉冲来驱动硬件电路。单片机通过软件控制步进电机，可以更好的挖掘电机的潜力。因此，用单片机控制步进电机已经成为必然趋势，这也符合数字化的趋势。

步进电机的保持力矩和定位力矩

保持转矩是指电机各相绕组通过额定电流并处于静态锁定状态时，电机能够输出的最大转矩。它是电机选择中最重要的参数之一。

定位力矩是指混合动力电机各相绕组不通电，处于开路状态时，永磁材料在电机转子上产生的磁场产生的力矩。一般定位扭矩比保持扭矩小很多。是否存在定位力矩是混合式步进电机不同于反应式步进电机的重要标志。

步进电机作为执行器，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，对步进电机的需求日益增加

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行器。步进驱动器接收到脉冲信号后，驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度(称为“步角”)，其旋转以固定的角度步进运行。角位移可以通过控制脉冲数来控制，从而达到精确定位的目的；同时，可以通过控制脉冲频率来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可作为控制专用电机，因其无累积误差(精度为100%)而广泛应用于各种开环控制中。

目前常用的步进电机有反应式步进电机(VR)、永磁步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相步进电机。

永磁步进电机一般为两相，转矩小，体积小，步进角度一般为7.5度或15度；无功步进电机一般为三相，可以实现大转矩输出。步进角度一般为1.5度，但噪音和振动都很大。无功步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子设有多相励磁绕组，利用磁导率的变化产生转矩。

混合式步进电机结合了永磁电机和无功电机的优点。分为两相和五相：两相的步进角一般为1.8度，五相的步进角一般为0.72度。这种步进电机应用广泛，也是这种细分驱动方案中选用的步进电机。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86BYG250A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。

　　定位转矩（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。