浅析步进电机的选择与使用

摘要：随着工业的快速发展。在当今的生活生产中,人们对电动机这门学科的知识需要有足够的了解。而步进电动机是系统中的执行元件,在机电一体化产品中有着关键作用。本公司以目前最常用的反应式步进电机为例，主要阐述了其工作原理、机械特性、实际应用中的选择和使用，希望对广大用户在其选择上能有所帮助。
一、反应式步进电机的工作原理：
　　以三相反应式步进电机为例。三相反应式步进电机由定子和转子两大部分组成。在定子上有三对磁极，磁极上装有励磁绕组，励磁绕组分成三相，即A、B、C。在转子上均匀分布着四个相位差为90°的转子齿，转子上不装设绕组，为硅钢片或软磁性钢片叠成的铁心。
　　当步进电机A相通电，B和C相不通电时，由于A相绕组产生的磁通要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，这样将使转子齿1、3和定子的A相对齐。当步进电机B相通电，A和C相不通电时，由于B相绕组产生的磁通要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，这样将使转子齿2、4和定子的B相对齐。当步进电机C相通电，A和B相不通电时，由于C相绕组产生的磁通要经过磁阻最小的路径形成闭合磁路，这样将使转子齿1、3和定子的C相对齐。
　　按照A-B-C-A的通电顺序往复下去，则步进电机的转子将按一定速度沿逆时针方向旋转。反之，若按照A-C-B-A的通电顺序往复下去，则步进电机的转子将反方向转动。这种通电方式，称为三相单三拍方式。步进电机还可以使用三相双三拍（即AB-BC-CA-AB和AC-CB-BA-AC）和三相单、双六拍（即A-AB-B-BC-C-CA-A和A-AC-C-CB-B-BA-A）的通电方式。
　　由此可见，步进电机转速大小取决于三相控制绕组通、断电源的频率，方向取决于其通电顺序。当其定子上有m相励磁绕组时，其轴线分别与转子齿的轴线偏移1/m、2/m……（m-1）/m、1，其通电顺序按照一定相序，步进电机就能实现正反转运行，基于这种原理，我们就可以生产出各种相数的步进电机。
二、反应式步进电机的机械特性：
　　1、步距角及步距角精度。步距角是指给步进电机输入一个脉冲后其所转过的角度，即Ψ=360°/（KmZ），其中m为相数；Z为转子齿数；K为通电方式，全步方式K=1，半步方式K=2，通常在步进电机的参数表中给出两个步距角。与工作原理相对应的步进电机全步方式时，其步距角为30°；半步方式时，其步距角为15°。步距角精度是指步进电机在空载状态下每步转过角度与理论角度之差，一般其步距角精度小于10′。
　　2、静态特性。1）矩角特性：指在不改变通电状态的条件下，步进电机静转矩与失调角之间的关系，即T=-kI2sin，其中k为转矩常数；I为控制绕组电流；为失调角；2）最大静转矩：矩角特性中静转矩的最大值，即Tmax=kI2。
　　3、动态特性。1）矩频特性：指输出转矩与输入频率的关系。在负载转矩一定的条件下，步进电机运行频率必须小于对应的频率值，否则就会出现失步；2）惯频特性：指转动惯量与输入频率的关系；3）起动频率：指步进电机在带动一定负载时，不失步起动的最高频率；4）运行频率：指步进电机不失步运行的最高频率。起动时，步进电机需要足够长的时间加速才能保证不失步，因此，在实际应用中选用的运行频率应该高于起动频率。
三、步进电机的选择：
　　步进电机的选择主要通过确定步距角、静转矩、电流的大小，就能确定其型号了。
　　1、步距角的选择
　　步进电机步距角的选择取决于系统负载分辨率的要求，将系统负载所要求的最小分辨率换算到步进电机的轴上就是此时步进电机应走过的角度，步进电机的步距角应该等于或小于该角度。在实际应用中，步进电机的步距角一般有1.5°/3°（三相）、0.9°/1.8°（二相或四相）、0.36°/0.72°（五相）等等。
　　2、静转矩的选择：
　　步进电机静转矩的选择取决于系统负载种类的要求，系统负载的种类分为摩擦负载和惯性负载。步进电机直接起动时要考虑摩擦负载和惯性负载；加速起动时主要考虑惯性负载；恒速运行时主要考虑摩擦负载。在实际应用中，步进电机的静转矩一般为摩擦负载的2-3倍的范围内，步进电机的静转矩一旦确定下来，那么步进电机的几何尺寸，即机座就能确定下来了。
　　3、电流的选择：
　　步进电机电流的选择取决于系统的矩频特性，步进电机的静转矩一定时，电流参数不同，其运行性能也不同。在实际应用中，步进电机的转速越高，力矩就越大，则要求其电流就越大，驱动电源的电压就越高。要使步进电机的电流大，尽可能提高驱动电源的电压，就必须选择小电感大电流的步进电机。
四、步进电机的使用：
　　1、步进电机适用于低速场合，其最高工作转速一般在300-600r/min，可通过减速装置使其在此范围内进行工作，此时步进电机的工作效率较高，噪声较低；2、步进电机最好不使用整步状态，因为整步状态时步进电机的振动较大；3、步进电机的标称电压值为12V时可以使用12V的驱动电源，除此之外，其他步进电机的驱动电源可以根据驱动器进行选择；4、步进电机拖动惯量较大的负载时，应该选择较大机座号的步进电机；5、步进电机要求较高速运行时，应该采用逐渐升频提速的方法。这样做的好处是：一能够使步进电机不失步；二能够使步进电机在运行中减少噪声；三能够使步进电机提高停车的定位精度；6、步进电机要求较高精度运行时，应该采用机械减速、提高步进电机转速的方法，或采用高细分数的驱动器驱动步进电机的方法，或采用5相步进电机的方法；7、在实际应用中，应该遵循先选步进电机再选步进电机驱动器的原则。
   选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
 选择步进电机需要进行以下计算：
  （1）计算齿轮的减速比 ： 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:
i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1)    式中φ ---步进电机的步距角（º/脉冲） S ---丝杆螺距（mm) Δ---(mm/脉冲）
（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。 Jt=J1+（1/i²)[(J2+Js）+W/g（S/2π)²]  （1-2）式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s²) J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s²)
 Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s²)  W---工作台重量（N）S ---丝杆螺距（cm）
（3）计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt  （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10¯² （1-4）
 式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m)Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s²)  n---电机所需达到的转速（r/min） T---电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10¯²                            （1-5）  Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)u---摩擦系数η---传递效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10¯² （1-6） Mt---切削力折算至电机力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为
  fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)]  1/2 （1-7） 式中fq---带载起动频率（Hz）
     fq0---空载起动频率 Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.
（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。
（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～0.4)Mmax.