2.2 步进电动机的分类

步进电动机种类繁多，按运动方式分为旋转步进电动机、直线步进电动机和平面步进电动机三大类；按电动机输出转矩分为快速步进电动机和功率步进电动机；按转矩产生的工作方式分为反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机3类；按励磁组数又可分为两相步进电动机、三相步进电动机、四相步进电动机、五相步进电动机和八相步进电动机等；按电流极性分为单极性步进电动机和双极性步进电动机。图2-1给出了步进电动机的主要分类方式，其中最常用的分类方式是按电动机转矩产生的工作方式，混合式步进电动机是应用最为广泛的步进电动机。

2.2.1 按运动方式分类

不同类型的步进电动机有其各自独特的运行方式，以实现各种复杂的运动形式。在旋转步进电动机、直线步进电动机、平面步进电动机这3种方式中，直线运动方式目前最为流行，很多步进电动机产品是直线步进电动机。

1. 旋转步进电动机

旋转步进电动机在电子专用设备和数控机床中应用广泛。它以自身的旋转做运动，通过传动零件使执行机构做旋转运动或直线移动。在数控设备中作为传动动力时，转矩较小是其比较突出的弱点之一。

2. 直线步进电动机

直线步进电动机近些年发展很快，在电子工业、绘图机、激光加工及自动化等设备中的应用十分广泛。如图2-2所示，直线步进电动机能将旋转运动转变成直线运动，将电脉冲信号转换成微步直线运动。尤其是在需要精密直线运动的地方，采用直线步进电动机尤为节省成本且方便。直线步进电动机为一种直线增量运动的电磁执行元件，即使在开环条件下，无须直线位移传感器，也能够做到精确定位控制。直线步进电动机结构简单，定位精度高，可靠性好，是一种比较理想且易开发和推广的高精度直线运动驱动装置。

最初的直线步进电动机采用了一个滚珠螺母和丝杆的结合体，滚珠丝杆可使机械效率达到90%以上，尽管滚珠丝杆对于旋转运动转化成线性运动是一个高效的装置，但滚珠螺母很难校准，体积大而且费用较高。混合步进电动机目前采用的是梯形螺纹，尽管提供的效率为20%～70%，但它具有设计简单、紧凑、实用性和可靠性强等优点。

直线步进电动机的优点如下。

①直接产生直线运动，不需要其他装置来转化。

②在开环情况下产生精确定位，控制系统简单且易于实现。

③工作时累积误差较小。

④系统结构简单耐用。

⑤运行可靠，传递效率高，制造成本低，易于维护。

直线步进电动机的缺点如下。

①采用普通控制器，效率低，步距固定。

②输出功率有限，带负载能力十分有限。

③响应有大的超调，从而造成电动机振荡。

④在开环情况下，滚珠轴承摩擦负载增加了定位误差。

3. 平面步进电动机

平面步进电动机目前主要应用在半导体生产线和医疗仪器上等，特别适合于对定位和运动平稳性要求高的场合，工作效率高且所需工作空间很小。平面步进电动机通过气垫使转子支撑起来，消除了机械摩擦，保证了很高的定位精度。传动机构为滑轨或气垫，不同于传统的滚珠丝杆等传动机构。它不仅能像普通直线步进电动机那样做直线运动，并且在高速度和高加速度时仍能保证精确的定位。它的优点主要有以下几点。

①机构简单，只有少量精密件，加工成本低。

②运动部件质量小，速度与加速度较高。

③用气垫保持运动部件与固定部件之间的气隙，没有机械磨损，精度始终不变。

2.2.2 按电动机输出转矩分类

1. 快速步进电动机

快速步进电动机的连续工作频率高，而输出转矩小，应用范围一般局限在通信和自动控制系统中等；工作频率高，即脉冲周期短，因而速度较快。这类电动机一般应该归类为反应式步进电动机，其输出转矩通常为0.07～4N·m。

2. 功率步进电动机

功率步进电动机输出转矩较大，不需要力矩放大装置就可以直接带动较重负载，特别适合于中小型数控机床上。它具有简单的传动结构和较高的传动精度，在今后将会受到重视。其输出转矩通常为5～40N·m。

2.2.3 按转矩产生的工作方式分类

按转矩产生的工作方式分类，步进电动机可分为反应式、永磁式和混合式3种基本类型，每一种类型都有各自的特点和应用领域。

1. 反应式步进电动机

反应式步进电动机结构简单、步距角小。其工作原理是由改变电动机定子和转子软钢齿之间的电磁引力来改变定子和转子的相对位置（图2-3）。

2. 永磁式步进电动机

永磁式步进电动机与反应式步进电动机相比，相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大，启动频率和运行频率较低，并且还需要采用正负脉冲供电，因此永磁式步进电动机通常用于自动化仪表制造领域中。永磁式步进电动机消耗的功率比反应式步进电动机要小，由于有永磁极的存在，在断电时具有定位转矩。永磁式步进电动机的转子铁芯上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定子、转子之间的电磁力与磁铁磁力共同作用的（图2-4）。

3. 混合式步进电动机

混合式步进电动机结合了反应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，采用永磁式磁铁提高电动机的转矩，采用细密的极齿来减小步距角。混合式步进电动机输出转矩大、动态性能良好，是应用最为广泛的步进电动机。在启动和运行时频率较高，消耗的功率较小，并有定位转矩。它需要由正负脉冲供电，在制造电动机时工艺也较为复杂。

最受欢迎的是两相混合式步进电动机，其市场份额约为97%，原因是它的性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电动机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°/步，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电动机可配不同的细分驱动器以改变精度和效果。

2.2.4 按励磁组数分类

按照励磁组数可将步进电动机分为两相、三相、四相、五相、六相，甚至八相等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。相数是指电动机内部的绕组组数，目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电动机。电动机相数不同，其步距角也不同，一般两相电动机的步距角为0.9°/1.8°、三相电动机的步距角为0.75°/1.5°等、五相电动机的步距角为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动机来满足自己对步距角的要求。

例如，n相步进电动机有n个绕组，这n个绕组要均匀地镶嵌在定子上，因而定子的磁极数必定是n的整数倍，即转子转一圈的步数应该是n的整数倍。也就是三相步进电动机转一圈的步数是3的整数倍，四相步进电动机转一圈的步数是4的整数倍，五相步进电动机转一圈的步数是5的整数倍。步距角的值是不能任意取的，它跟步进电动机相数有关系。

2.2.5 按电流极性分类

按电流极性可将步进电动机分为单极性步进电动机和步进电动机，这是步进电动机最常采用的两种驱动架构。

1. 单极性步进电动机

这种步进电动机之所以称为单极性步进电动机是因为每个绕组中的电流仅沿一个方向流动。它也被称为两线步进电动机，因为它只含有两个绕组。两个绕组的极性相反，卷绕在同一铁芯上，具有同一个中间抽头。如图2-5所示，单极性步进电动机还被称为四相步进电动机，它具有4个激励绕组。单极性步进电动机的引线有5根或6根。如果步进电动机的引线是5根，那么其中一根是公共线（连接到+V），其他4根分别连到电动机的四相。如果步进电动机的引线是6根，那么它是多段式单极性步进电动机，有两个绕组，每个绕组分别有一个中间抽头引线。

2. 双极性步进电动机

双极性步进电动机的每个绕组都可以两个方向通电，每个绕组都既可以是N极又可以是S极。它又被称为单绕组步进电动机，因为每极只有单一的绕组；它还被称为两相步进电动机，因为具有两个分离的绕组。如图2-6所示，双极性步进电动机有4根引线，每个绕组两条，与同样尺寸和质量的单极性步进电动机相比，双极性步进电动机具有更大的驱动能力。由于双极性步进电动机比单极性步进电动机的输出力矩大，因此总是应用于空间有限的设计中。这也是磁盘驱动器的磁头步进机械系统的驱动总是采用双极性步进电动机的原因。双极性步进电动机的步距角通常是1.8°，也就是每周200步。