步进电机关键特性解析：静态、动态、启动与制动特性

步进电机的关键特性涵盖了其静态特性、连续运动特性（动态特性）、启动特性以及制动特性（暂态特性）。以下将逐一阐述：

静态转矩特性

当步进电机的线圈通以直流电时，产生的电磁转矩（平衡负载转矩的恢复电磁转矩称为静态转矩或静止转矩）与转子功率角的关系，即角度-静止转矩特性，构成了电机的静态特性。如图表所示，由于转子采用永磁体，气隙磁密呈正弦分布，理论上静止转矩曲线亦为正弦波。这一特性是衡量步进电机产生电磁转矩能力的重要指标，转矩越大、波形越接近正弦越佳。实际上，磁极下存在齿槽转矩，导致合成转矩畸变，如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波，叠加在正弦静止转矩上。计算公式为：

TL = TMsin[(θL/θM)π/2]

其中，TL与TM分别表示负载转矩和*大静止转矩，θL和θM为相对应的功率角。该位移角的变化决定了步进电机的位置精度。根据公式，可得：

θL = (2θM/π)arcsin(TL/TM)

PM型永磁步进电机和HB混合式步进电机的步距角θs在先前课程中已有讲解，即θs = 180°/PNr，将其转换为机械角度（弧度），则公式变为：

θs = π/(2Nr)

其中，Nr为转子齿数或极对数，因此两相电机θM = θs。安徽皖南电机负载转矩为电磁转矩的负载（如弹簧力或重物的提升力等），若电机要正反向运动，会产生2θL的角度偏差。为提高位置精度，θL应尽可能小，因此，应选择*大静止转矩Tm大、步距角θs小的步进电机，即高分辨率电机。皖南电机价格表根据公式θs = π/(2Nr)可知，要使θs越小，Nr越大越好。高分辨率的步进电机转子结构主要分为PM型、R型、HB型三种，其中HB型分辨率*佳。由于PM型定子磁极为爪级结构，定子磁极数的增加受到机械加工的限制。HB型转子表面无齿，N极与S极在转子表面交替磁化，因此极数即为极对数Nr，同样，转子磁极Nr的增加也受到充磁机械的限制。R型转子齿数与HB型相同时，虽具有相同的Nr，但步距角θs为HB型的2倍，且由于无永磁磁极，*大转矩Tm比HB型小。当两相步进电机外径为42mm左右时，Nr=100齿，步距角0.9°，这是实际使用中*高的分辨率。Nr越大，电抗也增加，高转速下转矩会下降。皖南电机因此，Nr=50，步距角为1.8°的电机被广泛使用。对HB型结构，全步进状态的步距角精度为±3%，步进电机运行角度θ=nθs，各步运行中无累积误差，电机的速度如足够大，尽可能提高n（θs小），以提高位置定位精度。

动态转矩特性

动态转矩特性包括驱动脉冲频率-转矩特性和驱动脉冲频率-惯量特性。

脉冲频率-转矩特性

脉冲频率-转矩特性是选择步进电机的重要特性。皖南电机价格表如图表所示，纵轴为动态转矩（dynamic torque），横轴取响应脉冲频率，单位为pps（pulse per second），即每秒的脉冲数。步进电机的动态转矩产生包括失步转矩（pull-out-torque）和牵入转矩（pull-in-torque）两个转矩。前者称为失步或丢失转矩，后者称为起动或牵入转矩。牵入转矩范围为从零到*大自起动脉冲频率或*大自起动频率区域。牵入曲线包围的区域称为自起动区域。电机同步进行正反转起动运行，在牵入与失步区域之间为运转区，电机在此区域内可带相应负载同步连续运行，超出范围的负载转矩将不能连续运行，出现失步现象。步进电机为开环驱动控制，其负载转矩与电磁转矩之间要有裕度，其值应为50%~80%。安徽皖南电机失步转矩与牵入转矩在0pps时相等。随着控制脉冲频率的增加，带负载能力会下降。在运行开始，控制脉冲频率应缓慢增加，以便利用低速下的大转矩，提供电机在低速运行时需要的加速转矩，减少加速时间。步进电机定子线圈的电感设计的越小，*大响应脉冲频率就越大，这样就可将慢加速驱动变为快加速驱动运行。

脉冲频率-惯量特性

步进电机在带惯性负载快速起动时，须有足够的起动加速度。因此，如负载的惯量增加，则起动脉冲频率就下降，在选择步进电机时，对两者要进行综合考虑。如图表所示，纵轴为*大自起动频率，横轴为负载惯量，曲线表示负载惯量与*大自起动脉冲频率之间的关系。以下以PM型爪极步进电机（两相，步距角7.5°）为例。负载PL下，*大自起动脉冲频率PL与负载惯量Jc的关系如下：

式中，JR为步进电机转子惯量，Ps为空载的*大自起动频率。