2024年5月7日发(作者：歧妙双)
7.15
步进电机结构和工作原理分析
步进电机的最大特点是数字性，上位机发过来的每一个脉冲信号，在驱动器的推动下运转一
步，接收到一串脉冲则连续运转相应的角度。通过脉冲频率和脉冲数量精确控制步进电机的
转速和角度。
混合式步进电机的优点
混合式步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，定子上有多相绕组、转子采用永磁
材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度，两相步进电机为48齿，步矩角1.8度，
三相步进电机为50齿，步矩角1.2度，输出力矩大、抖动噪音小。
步进电机精度和细分的关系
步进电机的精度为步矩角的±5%，且没有累积误差。关于步进电机的精度有两个常见误区，
一是把系统的精度误差全部归结为电机的问题，二是以为细分越高精度越高。
从步进电机的角度来说，需要满足一些公差标准，包括机械公差和电气公差。相绕组电感的
均衡，极靴、转子的对准，定转子间气隙的均匀，定转子齿槽的关系，以及转矩脉动等都是
关系步进电机精度的重要因素。只要制造商使用可靠的、高品质的设备，合格的部件，优良
的工艺控制，就能获得满意的精度。
两相步进电机步矩角为1.8度，步矩精度为5.4弧分。在电机品质优良的前提下，通过驱动
细分技术可以提高步矩精度。但这不等于细分越高精度越高，两相步进电机驱动器常见256
细分，理论上可以实现51200步/转，然后两相步进电机由于物理结构的限制，其最高分辨
率约8000步/转，若驱动细分设置为10000步/转，必然存在大小步的现象。如果用户追求
更高的精度最好使用三相步进电机，其步矩角为1.2度，步矩精度为3.6弧分，物理精度高
于两相步进电机，其次加工精度是与振动紧密相关的，三相步进电机运行平稳，可以大大提
高加工精度。
步进电机的速度越高力矩越小
步进电机不是恒力矩输出，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；
速度越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随或速度的增大而相电流减小，从而导致
力矩下降。矩频特性是步进电机固有特性，但不是一成不变的，提高相电流、提高驱动电压、
优化驱动器性能和脉冲增减模式，都可以提高步进电机的高速性能。
步进电机和交流伺服电机的选型比较
在选择步进还是伺服的选型上涉及控制方式、负载的性质、转矩、惯量、转速、精度、响应
频率、供电电源等很多因素。传统观念里交流伺服比较步进电机的三大优势在于：闭环、高
精度、高速度。其实大部分设备是不需要反馈电机角度的，采用闭环往往是对丢步的顾虑，
步进电机和驱动技术已经非常成熟，只要选型得当就不存在丢步的问题。在精度方面，交流
伺服电机与三相混合式步进电机的极数都是50极，如上面提到的细分一样，电子齿轮比并
不能极大提高交流伺服精度。在实际应用中选择步进还是伺服最重要的因素是速度和响应频
率，交流伺服的高速恒力矩，适用于高速场合，其瞬间电流放大特性使得其响应频率也远高
于步进电机，步进电机的相对优势则在于低速力矩大，简单易用，成本低。
步进电机使用温度和发热解决方法
步进电机的使用环境温度为-20～+50℃，在低于-20
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，品质合格的步进电机磁性材
料的退磁点都在摄氏130度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常。
对步进电机表面温度的控制，达到一个平衡即可，步进电机温度高的场合往往是高电压
大电流，因为用户需要高速大力矩，例如110HB三相步进电机的表面温度常常达到95度以
上，增加电压和提高电流可以提高转速和增大力矩，虽然步进电机发热并未导致步进电机损
坏，但是温度过高以后也会产生临时退磁，欲速而不达。
长期高温状态下工作还会导致永久性磁衰减和线圈老化，这就是有的步进电机用了一年多力
矩就不够了的主要原因。
步进电机作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用。许多用户朋友在使
用步进电机的时候，感觉电机工作时有较大的发热，心存疑虑，不知这种现象是否正常。实
际上发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进
电机发热呢？本文将对这些问题做一简单的分析。
7.15
关于高速步进电机发热问题的进一步介绍
对于各种步进电机(高速步进电机)而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，
通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流
不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产
生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式
表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电
流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发
热情况，且情况比一般交流电机严重。
2、步进电机发热的合理范围：
电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下（130度
以上）才会被破坏。所以只要内部不超过130度，电机便不会损坏，而这时表面温度会在
90度以下。所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法有用点
温计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不超过60度；用手只能碰一下，大
约在70-80度；滴几滴水迅速气化，则90度以上了。
3、步进电机发热随速度变化的情况：
采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持相对恒定，以保持恒力矩输出。
速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损
带来的发热情况就与速度相关了。静态和低速时一般发热高，高速时发热低。但是铁损（虽
然占的比例较小）变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，所以上述只是一般
情况。
4、(高速步进电机)发热带来的影响：
电机发热虽然一般不会影响电机的寿命，对大多数客户来说没必要理会。但是，严重的发热
会带来一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的
2024年5月7日发(作者：歧妙双)
7.15
步进电机结构和工作原理分析
步进电机的最大特点是数字性，上位机发过来的每一个脉冲信号，在驱动器的推动下运转一
步，接收到一串脉冲则连续运转相应的角度。通过脉冲频率和脉冲数量精确控制步进电机的
转速和角度。
混合式步进电机的优点
混合式步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，定子上有多相绕组、转子采用永磁
材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度，两相步进电机为48齿，步矩角1.8度，
三相步进电机为50齿，步矩角1.2度，输出力矩大、抖动噪音小。
步进电机精度和细分的关系
步进电机的精度为步矩角的±5%，且没有累积误差。关于步进电机的精度有两个常见误区，
一是把系统的精度误差全部归结为电机的问题，二是以为细分越高精度越高。
从步进电机的角度来说，需要满足一些公差标准，包括机械公差和电气公差。相绕组电感的
均衡，极靴、转子的对准，定转子间气隙的均匀，定转子齿槽的关系，以及转矩脉动等都是
关系步进电机精度的重要因素。只要制造商使用可靠的、高品质的设备，合格的部件，优良
的工艺控制，就能获得满意的精度。
两相步进电机步矩角为1.8度，步矩精度为5.4弧分。在电机品质优良的前提下，通过驱动
细分技术可以提高步矩精度。但这不等于细分越高精度越高，两相步进电机驱动器常见256
细分，理论上可以实现51200步/转，然后两相步进电机由于物理结构的限制，其最高分辨
率约8000步/转，若驱动细分设置为10000步/转，必然存在大小步的现象。如果用户追求
更高的精度最好使用三相步进电机，其步矩角为1.2度，步矩精度为3.6弧分，物理精度高
于两相步进电机，其次加工精度是与振动紧密相关的，三相步进电机运行平稳，可以大大提
高加工精度。
步进电机的速度越高力矩越小
步进电机不是恒力矩输出，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；
速度越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随或速度的增大而相电流减小，从而导致
力矩下降。矩频特性是步进电机固有特性，但不是一成不变的，提高相电流、提高驱动电压、
优化驱动器性能和脉冲增减模式，都可以提高步进电机的高速性能。
步进电机和交流伺服电机的选型比较
在选择步进还是伺服的选型上涉及控制方式、负载的性质、转矩、惯量、转速、精度、响应
频率、供电电源等很多因素。传统观念里交流伺服比较步进电机的三大优势在于：闭环、高
精度、高速度。其实大部分设备是不需要反馈电机角度的，采用闭环往往是对丢步的顾虑，
步进电机和驱动技术已经非常成熟，只要选型得当就不存在丢步的问题。在精度方面，交流
伺服电机与三相混合式步进电机的极数都是50极，如上面提到的细分一样，电子齿轮比并
不能极大提高交流伺服精度。在实际应用中选择步进还是伺服最重要的因素是速度和响应频
率，交流伺服的高速恒力矩，适用于高速场合，其瞬间电流放大特性使得其响应频率也远高
于步进电机，步进电机的相对优势则在于低速力矩大，简单易用，成本低。
步进电机使用温度和发热解决方法
步进电机的使用环境温度为-20～+50℃，在低于-20
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，品质合格的步进电机磁性材
料的退磁点都在摄氏130度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常。
对步进电机表面温度的控制，达到一个平衡即可，步进电机温度高的场合往往是高电压
大电流，因为用户需要高速大力矩，例如110HB三相步进电机的表面温度常常达到95度以
上，增加电压和提高电流可以提高转速和增大力矩，虽然步进电机发热并未导致步进电机损
坏，但是温度过高以后也会产生临时退磁，欲速而不达。
长期高温状态下工作还会导致永久性磁衰减和线圈老化，这就是有的步进电机用了一年多力
矩就不够了的主要原因。
步进电机作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用。许多用户朋友在使
用步进电机的时候，感觉电机工作时有较大的发热，心存疑虑，不知这种现象是否正常。实
际上发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进
电机发热呢？本文将对这些问题做一简单的分析。
7.15
关于高速步进电机发热问题的进一步介绍
对于各种步进电机(高速步进电机)而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，
通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流
不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产
生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式
表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电
流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发
热情况，且情况比一般交流电机严重。
2、步进电机发热的合理范围：
电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下（130度
以上）才会被破坏。所以只要内部不超过130度，电机便不会损坏，而这时表面温度会在
90度以下。所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法有用点
温计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不超过60度；用手只能碰一下，大
约在70-80度；滴几滴水迅速气化，则90度以上了。
3、步进电机发热随速度变化的情况：
采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持相对恒定，以保持恒力矩输出。
速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损
带来的发热情况就与速度相关了。静态和低速时一般发热高，高速时发热低。但是铁损（虽
然占的比例较小）变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，所以上述只是一般
情况。
4、(高速步进电机)发热带来的影响：
电机发热虽然一般不会影响电机的寿命，对大多数客户来说没必要理会。但是，严重的发热
会带来一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的