电机选择：步进电机位置定位精度的选用

步进电机以位置定位控制为主要目的使用时，要提高位置定位精度，需要电机具有以下性能：

1. 高分辨率（步距角小）。
2. 矩角特性为正弦波，峰值大。
3. 齿槽转矩（cogging）小。
4. 动态转矩大，暂态特性良好。

同等性能的电机，要得到这些的特性，就要配合最佳的驱动方式。根据以上介绍，我们试着选择位置定位精度好的电机。

高分辨率电机的选用

步进电机位置定位控制时，设步距角为θ_S，脉冲波的总数为n，步进电机的总步进量为nθ_S，最终步进的步进电机的位置误差为△θ，则下式 成立：

θ_n=nθ_S±△θ

此时，由于步进电机本体的结构，第（n-1）步以内的误差不会累计计算，第n步的步进误差△θ，变成总步进量θ_S的位置误差。故位置定位系统的精度PA用下式表示：

PA=±△θ/nθ_S

下式成立：

△θ=Kθ_S

此处，K可以根据步距角的大小多少变化，轻载时约为0.05。依据上式△θ=Kθ_S，步距角愈小，位置定位精度PA愈好。要想提高位置定位精度，就要选择高分辨率的步进电机，使位置定位误差△θ小。

高分辨率的步进电机

此处考虑决定步距角的要素。式θ_S=180°PNr，如用弧度表示，则步进电机的步距角θ_S如下式表示：

θ_S=π/PNr

式中，θ_S为机械角。

一、多相步进电机

相数P多，步距角小、分辨率高、位置定位精度提高。但随相数的增加，驱动电路的功率管数量成比例增加，驱动电路变得复杂，成本提高，由于电机多相构造，制造工作量复杂程度增加，由此造成成本绩效的降低。如多相化，全步进时以及半步进时可获到转矩波动小、振动低等优点。相数如由两相增加到三相，驱动电路不会变复杂，且可获得多相电机的有利特性。

齿槽转矩太大时，其位置定位精度差，转动时振动或噪音大，一般的用途是希望此转矩小。故齿槽转矩的大小变成步进电机评估的一项指标。齿槽转矩稳定点的周期一般取与步距角相同的周期。下图表示同一大小、同一气隙的HB型步进电机的齿槽转矩比较。

由图可知，两相1.8°与三相1.2°使用同一个50齿转子时，三相电机的齿槽转矩值约降低1/2。三相同一大小100齿的步进角度0.6°的电机，其齿槽转矩约降低1/4。此齿槽转矩的周期，理论上是两相步进电机静态转矩周期的1/4倍（4次谐波），三相电机为1/6倍 （6次谐波）。由式θ_S=π/PNr可知，P与Nr越多，越能降低齿槽转矩，提高位置定位精度。

步进细分数相同时，两相HB型与三相HB型的位置精度比较如下图所示，8细分的两相1.8°与三相0.6°两者比较，三相0.6°其位置误差比两相电机降低22%左右。

二、齿数Nr多的电机

对位置定位非常重要的静态转矩特性的角度变化周期，并不会随电机相数的改变而改变，只依据转子齿数来决定。

齿数或极对数Nr越大，分辨率越高。负载转矩T_L加在步进电机上，由《静态转矩特性》一文中的上式得知，其位置定位精度与位移角θ_L有下式关系：

公式

式中，T_M为最大静止转矩（也称为把持转矩）。由此式可知，此位移角决定步进电机的位置定位精度。决定步进电机的位置定位精度的位移角θ_L由下式表示：

θ_L=（2θ_M）arcsin（T_L/T_M）

另一方面θ_M用下式表示：

θ_M=π/2Nr

由上两式可变换成下式：

θ_L=（1/Nr）arcsin（T_L/T_M）

即电机的静态转矩特性如为正弦波，则峰值转矩T_M很大，如选择齿数Nr大的步进电机，负载引起的位移角就小，从而提高位置定位精度。齿槽转矩小的电机静态转矩特性接近正弦波。

以HB型步进电机为例，转子齿数Nr有50齿或100齿。两相时，50齿步距角1.8°，100齿变成0.9°。三相电机的情况，50齿1.2°，100齿0.6°。下图示出三相HB型1.2°与0.6°的步进电机，在相同负载转矩位置定位时的位移角情况。即Nr大的在0.6°范围内形成静态转矩特性的斜率大（刚性强），亦即，对相同的负载引起的位移角变化量小。

位置定位控制时，位置到达时间会出现问题，此时，动态转矩大，暂态特性良好，也成为步进电机的选择条件。动态转矩，特别是低速时的动态转矩越大，在负载加速运行时可缩短位置定位时间。负载加速后，如到达接近目标位置，必须要尽快停止，因此，要考虑暂态特性。