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ＳＣＩＥＮＣＥ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ

２００７ 年 第 ８ 期

●

科

浅谈步进电机的工作原理

董里扬

（ 杭州师范学院

浙江

杭州

３１００１２

）

０．

前言

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 元

件。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， 即给电机加一个脉冲信号， 电
机则转过一个步距角。这一线性关系的存在， 加上步进电机只有周期
性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进
电机来控制变的非常的简单。

一、步进电机的概念

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（ 及步进角） 。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。

二、步进电机的特点

１．步进电动机工作时每相绕组不是恒定地通电， 而是按一定的规

律轮流通电。

２．每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角。
３．步进电机可以按特定指令进行角度控制， 也可以进行速度控制。

角度控制时， 每输入一个脉冲， 定子绕组就换接一次， 输出轴就转过一
个角度， 其步数与脉冲数一致， 输出轴转动的角位移量与输入脉冲成
正比。速度控制时， 步进电机绕组中送入的是连续脉冲， 各相绕组不断
地轮流通电， 步进电机连续动转， 它的转速与脉冲频率成正比。改变通
电顺序， 即改变定子磁场旋转方向， 就可以控制电机正转或是反转。

４．步进电机具有自锁能力。当控制脉冲停止输入， 而让最后一个

脉冲控制的绕组继续通直流电时， 则电机可以保持在固定的位置上，
即停在最后一个脉冲控制 的 角 位 移 的 终 点 位 置 上 ， 这样， 步进电机可
以实现停车时转子定位。
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。

三、步进电机控制原理

步进电机是数字 控 制 电 机 ， 它将脉冲信号转变成角位移， 即给一

个脉冲信号， 步进电机就转动一个角度， 因此非常适合于单片机控制。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是， 它是通过输入脉冲

信号来进行控制的， 即电机的总转动角度由输入脉冲数决定， 而电机
的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机 的 驱 动 电 路 根 据 控 制 信 号 工 作 ， 控制信号由单片机产

生。其基本原理作用如下：

（１）控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如： 三相

步进电机的三拍工作方式， 其各相通电顺序为

Ａ－ Ｂ－ Ｃ－ Ｄ，通电控制脉

冲必须严格按照这一顺序分别控制

Ａ，Ｂ，Ｃ， Ｄ 相的通断。

（２）控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电， 步进

电机正转， 如果按反序通电换相， 则电机就反转。

（３）控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲， 它就

转一步， 再发一个脉冲， 它会再转一步。两个脉冲的间隔越短， 步进电
机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率， 就可以对步进电机进行
调速。

四、步进电机工作原理

步进电机的工作就是步进转动， 其功用是将脉冲电信号变换为相

应的角位移或是直线位移 ， 就是给一个脉冲信号， 电动机转动一个角
度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比， 它的转速与
脉 冲 频 率

（ｆ）成正比， 如两相步进电机设定为半步的情况下（电机转一

圈

４００ 个脉冲）： ｎ＝６０ｆ／２００（转／分）

步进电机是 将 给 定 的 电 脉 冲 信 号 转 变 为 角 位 移 或 线 位 移 的 开 环

控制元件。

给一个电脉冲信 号 ， 步进电机转子就转过相应的角度， 这个角度

就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为

１．８

度（ 俗称一步） 或

０．９ 度（ 俗称半步） 。以步距角为 ０．９ 度的进步电机来

说， 当我们给步进电机一个电脉冲信号， 步进电机就转过

０．９ 度； 给两

个脉冲信号， 步进电机就转过

１．８ 度。以此类推， 连续给定脉冲信号，

步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这

种线性关系， 使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛
的应用。

步进电机的使用至少需要三个方面的配合， 一是电脉冲信号发生

器， 它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号， 目前这种信
号大多数由可编 程 控 制 器 或 单 片 机 来 完 成 ； 二是驱动器 （ 信号放大
器） ， 它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外， 还可以
通过它改善步进电机的使用性能， 事实上它在步进电机系统中起着重
要的作用， 一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；
三是步进电机， 它有多种控制原理和型号， 现在常用的有反应式、感应
子式、混合式等。

步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生

脉冲的频率减小时， 步进电机的速度就下降； 当频率增加时， 速度就加
快。

步进电机的 位 置 控 制 是 靠 给 定 的 脉 冲 数 量 控 制 的 。给定一个脉

冲， 转过一个步距角， 当停止的位置确定以后， 也就决定了步进电机需
要给定的脉冲数。

五、步进电机的主要特性

１．步距角。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状

态每改变一次， 转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的
重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。步距
角越小， 数控机床的控制精度越高。

２．矩角特性、最大静态转矩和启动转矩。矩角特性是步进电机的

一个重要特性， 它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规
律。

３．启动频率。空载时， 步进电机由静止突然启动， 并进入不丢步的

正常运行所允许的最高频率， 称为启动频率或突跳频率。若启动时频
率大于突跳频率， 步进电机就不能正常启动。空载启动时， 步进电机定
子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。

４．连续运行的最高工作频率。步进电机连续运行时， 它所能接受

的， 即保证不丢步运行的极限频率， 称为最高工作频率。它是决定定子
绕组通电状态最高变化频率的参数， 它决定了步进电机的最高转速。

５．加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到

工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中， 定子绕组通电状态的
变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作
频率时， 变化速度必须逐渐上升； 同样， 从最高工作频率或高于突跳频
率的工作频率停止时， 变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加
速时间、减速时间不能过小， 否则会出现失步或超步。

六、步进电机的选择

步进电机有步距角（ 涉及到相数） 、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定， 步进电机的型号便确定下来了。

１．步距角的选择 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。目前市场上步进电
机的步距角一般有

０．３６ 度／０．７２ 度（ 五相电机） 、０．９ 度／１．８ 度（ 二、四相

电机） 、

１．５ 度／３ 度（ 三相电机） 等。

２．静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定， 我们往

往先确定电机的静力矩。静力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。直接起动时（ 一般由低速） 时二种负载均要考虑， 加速
起动时主要考虑惯性负载， 恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况
下， 静力矩应为摩擦负载的

２－ ３ 倍内好， 静力矩一旦选定， 电机的机座

及长度便能确定下来（ 几何尺寸）

３．电流的选择

静 力 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（ 参考驱动电
源、及驱动电压） 。

参考文献

［

１］ 李峻， 李学全。步进电机的运动控制系统 及 其 应 用［Ｊ］微 特 电 机 ，

２０００（ ２） ．

［

２］ 赵良炳．现代电力电子技术基础［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９７．

○机械与电子○

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