如何选择优质步进电动机

简单来说，步进电动机是通过电流脉冲来精确控制转动量的电动机，电流脉冲是由电动机驱动单元供给的。步进电动机是整个3D打印机的动力来源，因此步进电动机的质量，对于3D打印机的工作状态是非常关键的。不同厂商的步进电动机，质量差异很大。好的步进电动机，工作噪声小，发热量小，运行平滑稳定，转矩也足够大。对于集成T形丝杠步进电动机来说，T形丝杠还要足够直。满足以上全部要求，才能算是好的步进电动机。3D打印机常用的步进电动机类型为42型步进电动机，常见的Reprap Mendel Prusa系列、MakerBot、Ultimaker、Kossel Mini都使用了42型步进电动机。同样也有些3D打印机为了追求小型化而使用37型步进电动机（如Huxley）。图3-8为不同型号的步进电动机。

图3-8 不同型号的步进电动机

下面介绍步进电动机各项参数，以及选购中的注意事项。

1.步进角

常见步进电动机的步进角为1.8°，同样也有大步进角步进电动机，然而为了3D打印机打印得更精确，需要小的步进角，甚至使用0.9°步进角的步进电动机，打印更平稳，转矩更大，精度更高，缺点是最大转速降低了。

2.级数

原则上Reprap 3D打印机单双级都能用，但大部分3D打印机都使用双极步进电动机。双极步进电动机内部有两组独立的线圈，每组线圈都需要单独的驱动电路。单极步进电动机同样也有两组线圈，而每组线圈中间多接出一根引线，这样就可以简单地改变每一组线圈的磁极方向，而双极步进电动机只能靠驱动电路改变电流的方向来改变磁极方向，所以单极步进电动机驱动电路相对简单，但单级步进电动机只使用了一半的线圈，在同等体积的情况下没有双极步进电动机转矩大。单极步进电动机大部分有5根或6根引线，而双极步进电动机有4根或8根引线。

3.细分

步进电动机都有固定的步进角，通过给每组线圈发送正弦波或者余弦波增加步进电动机步数，从而使每步的步进角减小，提高了步进电动机的精度和驱动频率，降低了振动，但是却减小了电动机的转矩。当步进电动机驱动大负载，大摩擦力，或者高速往复运动，细分数高于二分之一步进角时，就不能提高步进电动机的定位精度，而在小负载时却能很好地提高定位精度。

4.步进电动机保持转矩

虽然步进电动机并不像直流减速电动机、直流伺服电动机那样可以提供大转矩和保持力矩，却可以简单精确地控制移动距离。直流减速电动机、直流伺服电动机实现精确地控制移动距离需要复杂的闭环控制系统和驱动电路。最早设计的Mendel 3D打印机需要X、Y、Z轴步进电动机13.7N·cm的保持转矩来避免转矩不足产生的丢步问题。最近越来越多的成功案例使用更小转矩的步进电动机，一般这种3D打印机设计得会更精密，摩擦力更小。甚至很多开源设计的3D打印机并不要求步进电动机的保持转矩。在3D打印机设计中，保持转矩一定是越大越可靠，但同样也增加了3D打印机重量和体积。

5.尺寸(www.xing528.com)

3D打印机使用的步进电动机尺寸大多是42型步进电动机（宽和高均为42mm），步进电动机的长度代表其功率和转矩大小，长度越长其功率、转矩越大。常见的长度为37mm、40mm、47mm。有些3D打印机也使用了37型步进电动机（宽和高均为37mm），相比42型步进电动机更轻便、简洁。但37型步进电动机通常需要以极限转矩运行，增加了步进电动机的表面温度，甚至发烫。

6.接线

Reprap系列3D打印机控制板一般适用4线、6线、8线步进电动机，而5线步进电动机并不支持。步进电动机接线时需要按照步进电动机说明书接线，但是很多厂家并不提供详细的说明书，这时我们需要使用万用表进行测量。

4线步进电动机有两组线圈，每组都有两根引线，使用万用表测量任意两根引线，连通的为同一线圈，找到两组线圈接入步进电动机驱动，如果发现步进电动机行进方向相反，可以任意调换同一线圈的两根引线。另一种方法是把步进电动机任意两根引线短接，转动出轴，转动困难的两根引线就为同一线圈。

6线步进电动机同样有两组线圈，而每一组线圈中间多接一根引线，使用万用表测量任意两根线之间的电阻，找到电阻最大的两组接入步进电动机驱动。

8线步进电动机拥有A、B两相，4组线圈（A相两组线圈，B相两组线圈），用万用表测量8根引线之间的电阻找到四组线圈引线，任意两组线圈接入步进电动机驱动，如果步进电动机可以正常运转，代表两组线圈不在同一相上；如果步进电动机不能转动，证明这两组线圈属于同相线圈。接下来将剩下两组线圈任意一组串联到A相线圈，如果步进电动机转动，证明为A相另一组线圈；如果步进电动机不转动，将这组线圈正负对调后再试一次；如果步进电动机还不转动，证明此组为B相另一组线圈，同样用上面的方法找到最后一组极性。

6线步进电动机也可以看作4组线圈，每相的两组线圈各一根引线接到一起，使用时可以单独使用不同相的两组线圈，也可以把两组线圈分别串联使用。8线步进电动机中可以把两相四线线圈中每相任意一组线圈单独使用，也可以把每一相线圈并联或者串联使用。两相线圈分别串联时（低速接法），每相的总电阻增加，发热减小，在低速运动时，电动机转矩增大，但由于串联使得每相电感较高，转速升高时力矩下降很快，电动机高速性能不好，这种接法需要调节驱动器驱动电流为电动机相电流的70%。两相线圈分别并联时（高速接法），每相的总电阻减少，电感减小，转速升高，力矩下降较弱，电动机高速性能好，而低速转矩却降低了很多，这种接法需要调节驱动器驱动电流为电动机相电流的1.4倍，因而发热较大。

7.温度

步进电动机温度过高会使电动机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步。一般磁性材料退磁点都在130℃以上，有的甚至达到200℃以上，所以步进电动机外面温度在80～90℃完全正常。但是，很多3D打印机的电动机座材料是PLA或者ABS，PLA在60℃左右就会软化变形，而ABS在110℃开始软化，所以使用PLA、ABS作为固定电动机座材料时，步进电动机的温度一定不能超过材料的软化温度。当步进电动机温度过高时，可以在步进电动机表面增加风扇主动散热，也可以降低步进电动机的功率来降低温度。根据公式P=I²R可以看出，只需要降低一点电流，功率却降低了很多，而保持转矩仍可以保证，比如电流降低到原来的80%，转矩同样会降低到了80%，而功率会降低到原来的64%（0.8²=0.64）。

8.功率和电流

由于3D打印机步进电动机采用限流驱动方式，理论上可以不考虑步进电动机的内阻，但是往往步进电动机的内阻和电感会一起作用，电阻大，电感就大，阻碍了电流的变化，启动频率下降，电动机动态性能不好。所以本书中组装的3D打印机一般选择电压在3～5V、电流在1～1.5A的步进电动机，此区间的电动机通常可以达到最佳性能。