矩角特性又称静态特性，指绕组中电流恒定，使转子处在各个不同位置且固定不动时电

磁转矩随偏转角的变化关系。定子一相绕组通以

定子 直流后，如果转子上没有负载转矩的作用，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。如图所示：

转子 若用外力（静负载转矩不为零）使转子错开初始平衡位置一个角度。转子齿偏离初始平衡位置的

角度就叫转子偏转角(空间角)，若用电角度?e表示，则由于定子每相绕组通电循环一周(电角度)，对应转子在空间转过一个齿距(空间角度)，故电角度是空间角度的Z倍。就是矩角

特性曲线。可以证明，此曲线可近似地用一条正弦曲线表示，

始平衡位置

T TSMAX 如图所示。

π ? 2从图看出，达到??2时，即在定子齿与转子齿顺时针

或反时针错开1/4个齿距时，转矩T沿对应方向达到最大值，

–? ?π 0 2?e 称为最大静转矩TSMAX，负载转矩必须小于最大静转矩，否则，根本带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的30%~50%左右。因此，这一特性反映了步进电动机带负载的能力，通常在技术资料中都有说明，它是

步进电动机的最主要的性能指针之一。

3．脉冲信号频率对步进电动机进行的影响

当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以矩形波输入，电流波形比较接近于理想的矩形波；

随着脉冲信号频率增高，由于电动

i 机绕组中的电感有阻止电流变化的作用，因此电流波形发生畸变，频率越高，畸变越严重。如图所示，

I 0 i I t t 如果脉冲频率过高，电流还来不及上升到稳定值I就开始下降，于是，电流的幅值降低(由I下降到I?)，因而产生的转矩减小，致使带负载

0 i I I' 0 t1 t 的能力下降。故频率过高会使步进电动机启动不了或运行时失步而停下。因此，对脉冲信号频率是有限制的。

4．转子机械惯性对步进电动机运行的影响

从物理学可知，机械惯性对瞬时运动的物体要发生作用，当步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性作用，转子一下子转不起来，因此，要落后于它应转过的角度，如果落后不太大，还会跟上来，如果落后太多，或者脉冲频率过高，电动机将会启动不起来。

另外，即使电动机在运转，也不是每走一步都迅速地停留在相应的位置，而是受机械惯性的作用，要经过几次振荡后才停下来，如果这种情况严重，就可能引起失步。因此，步进电动机都采用阻尼方法，以消除(或减弱)步进电动机的振荡。

二、 步进电动机的主要性能指标和使用

1．步进电动机的主要性能指针 1）步距角

步距角是步进电动机的主要性能指针之一。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率，因此，在选择步进电动机的步距角时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足??i?min

式中，i——传动比；

?min——负载轴要求的最小位移增量(或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负

载轴的位移增量)。

例：如图所示。传动比i=4，丝杠导程=2mm，步距角??0.90。求每一个脉冲所对应的丝杠的角位移量和工作台的线位移量。

i步进电机

解：本题已知步距角、传动比，求负载轴对应的脉冲位移增量。当步进电机选定，机械传动部分设计完成以后，负载轴对应的脉冲位移增量为??i? 则 ??0.9?0.2250

4设步进电机每步对应工作台线位移为X(mm)，由于丝杠（单头）每转360?对应一个螺距的线位移，本例中螺距为2mm，所以

X?2??/3600?2?0.2250/3600?1.25?m

2）最大静转矩Tsmax

负载转矩与最大静转矩的关系为

TL??0.3~0.5?Tsmax

为保证步进电动机在系统中正常工作，还必须满足

TST?TLmax

式中，TST——步进电动机启动转矩；

TLmax——最大静负载转矩。

通常取TLmax??0.3~0.5?Tst以便有相当的力矩储备。 3）启动频率

突然给电机加上某一频率的输入脉冲使转子从静止状态启动，保证转子能不失步正常运行的最高脉冲频率称为启动频率。启动频率因负载不同而异。负载启动频率fq比空载启动频率fost大很多。因此，在选用电动机时应该注意到这一点。启动频率反映了步进电机跟踪的快速性。

4）精度

精度是用一周内最大的步距角误差值表示的。对于所选用的步进电动机，其步距精度应满足

Δ??i?Δ?L?

式中，Δ?L——负载轴上所允许的角度误差。 5）连续运行频率fc和矩频特性

步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为连续运行频率fc，它的值也与负载有关。很显然，在同样负载下，运行频率fc远大于启动频率。fc反映了步进电机的最高运行速度，直接影响生产率。

在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降。这两者之间的关系称为矩频特性，如图所示为某步进电动机的矩频特性。

T/Kg ?cm

三、使用步进电动机时应注意的几个问题

（1）驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。

（2）若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当频率再停车。

（3）在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起误差。

（4）若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换组件。

矩频特性

0 f/HZ