淺析步進電機的選擇與使用

摘要：隨著工業的快速發展。在當今的生活生產中,人們對電動機這門學科的知識需要有足夠的了解。而步進電動機是系統中的執行元件,在機電一體化產品中有著關鍵作用。本公司以目前最常用的反應式步進電機為例，主要闡述了其工作原理、機械特性、實際應用中的選擇和使用，希望對廣大用戶在其選擇上能有所幫助。
一、反應式步進電機的工作原理：
　　以三相反應式步進電機為例。三相反應式步進電機由定子和轉子兩大部分組成。在定子上有三對磁極，磁極上裝有勵磁繞組，勵磁繞組分成三相，即A、B、C。在轉子上均勻分布著四個相位差為90°的轉子齒，轉子上不裝設繞組，為硅鋼片或軟磁性鋼片疊成的鐵心。
　　當步進電機A相通電，B和C相不通電時，由于A相繞組產生的磁通要經過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣將使轉子齒1、3和定子的A相對齊。當步進電機B相通電，A和C相不通電時，由于B相繞組產生的磁通要經過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣將使轉子齒2、4和定子的B相對齊。當步進電機C相通電，A和B相不通電時，由于C相繞組產生的磁通要經過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣將使轉子齒1、3和定子的C相對齊。
　　按照A-B-C-A的通電順序往復下去，則步進電機的轉子將按一定速度沿逆時針方向旋轉。反之，若按照A-C-B-A的通電順序往復下去，則步進電機的轉子將反方向轉動。這種通電方式，稱為三相單三拍方式。步進電機還可以使用三相雙三拍（即AB-BC-CA-AB和AC-CB-BA-AC）和三相單、雙六拍（即A-AB-B-BC-C-CA-A和A-AC-C-CB-B-BA-A）的通電方式。
　　由此可見，步進電機轉速大小取決于三相控制繞組通、斷電源的頻率，方向取決于其通電順序。當其定子上有m相勵磁繞組時，其軸線分別與轉子齒的軸線偏移1/m、2/m……（m-1）/m、1，其通電順序按照一定相序，步進電機就能實現正反轉運行，基于這種原理，我們就可以生產出各種相數的步進電機。
二、反應式步進電機的機械特性：
　　1、步距角及步距角精度。步距角是指給步進電機輸入一個脈沖后其所轉過的角度，即Ψ=360°/（KmZ），其中m為相數；Z為轉子齒數；K為通電方式，全步方式K=1，半步方式K=2，通常在步進電機的參數表中給出兩個步距角。與工作原理相對應的步進電機全步方式時，其步距角為30°；半步方式時，其步距角為15°。步距角精度是指步進電機在空載狀態下每步轉過角度與理論角度之差，一般其步距角精度小于10′。
　　2、靜態特性。1）矩角特性：指在不改變通電狀態的條件下，步進電機靜轉矩與失調角之間的關系，即T=-kI2sin，其中k為轉矩常數；I為控制繞組電流；為失調角；2）最大靜轉矩：矩角特性中靜轉矩的最大值，即Tmax=kI2。
　　3、動態特性。1）矩頻特性：指輸出轉矩與輸入頻率的關系。在負載轉矩一定的條件下，步進電機運行頻率必須小于對應的頻率值，否則就會出現失步；2）慣頻特性：指轉動慣量與輸入頻率的關系；3）起動頻率：指步進電機在帶動一定負載時，不失步起動的最高頻率；4）運行頻率：指步進電機不失步運行的最高頻率。起動時，步進電機需要足夠長的時間加速才能保證不失步，因此，在實際應用中選用的運行頻率應該高于起動頻率。
三、步進電機的選擇：
　　步進電機的選擇主要通過確定步距角、靜轉矩、電流的大小，就能確定其型號了。
　　1、步距角的選擇
　　步進電機步距角的選擇取決于系統負載分辨率的要求，將系統負載所要求的最小分辨率換算到步進電機的軸上就是此時步進電機應走過的角度，步進電機的步距角應該等于或小于該角度。在實際應用中，步進電機的步距角一般有1.5°/3°（三相）、0.9°/1.8°（二相或四相）、0.36°/0.72°（五相）等等。
　　2、靜轉矩的選擇：
　　步進電機靜轉矩的選擇取決于系統負載種類的要求，系統負載的種類分為摩擦負載和慣性負載。步進電機直接起動時要考慮摩擦負載和慣性負載；加速起動時主要考慮慣性負載；恒速運行時主要考慮摩擦負載。在實際應用中，步進電機的靜轉矩一般為摩擦負載的2-3倍的范圍內，步進電機的靜轉矩一旦確定下來，那么步進電機的幾何尺寸，即機座就能確定下來了。
　　3、電流的選擇：
　　步進電機電流的選擇取決于系統的矩頻特性，步進電機的靜轉矩一定時，電流參數不同，其運行性能也不同。在實際應用中，步進電機的轉速越高，力矩就越大，則要求其電流就越大，驅動電源的電壓就越高。要使步進電機的電流大，盡可能提高驅動電源的電壓，就必須選擇小電感大電流的步進電機。
四、步進電機的使用：
　　1、步進電機適用于低速場合，其最高工作轉速一般在300-600r/min，可通過減速裝置使其在此范圍內進行工作，此時步進電機的工作效率較高，噪聲較低；2、步進電機最好不使用整步狀態，因為整步狀態時步進電機的振動較大；3、步進電機的標稱電壓值為12V時可以使用12V的驅動電源，除此之外，其他步進電機的驅動電源可以根據驅動器進行選擇；4、步進電機拖動慣量較大的負載時，應該選擇較大機座號的步進電機；5、步進電機要求較高速運行時，應該采用逐漸升頻提速的方法。這樣做的好處是：一能夠使步進電機不失步；二能夠使步進電機在運行中減少噪聲；三能夠使步進電機提高停車的定位精度；6、步進電機要求較高精度運行時，應該采用機械減速、提高步進電機轉速的方法，或采用高細分數的驅動器驅動步進電機的方法，或采用5相步進電機的方法；7、在實際應用中，應該遵循先選步進電機再選步進電機驅動器的原則。
   選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續工作頻率能滿足機床快速移動的需要。
 選擇步進電機需要進行以下計算：
  （1）計算齒輪的減速比 ： 根據所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下:
i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1)    式中φ ---步進電機的步距角（º/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖）
（2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i²)[(J2+Js）+W/g（S/2π)²]  （1-2）式中Jt ---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s²) J1、J2 ---齒輪慣量(Kg.cm.s²)
 Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s²)  W---工作臺重量（N）S ---絲桿螺距（cm）
（3）計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt  （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10¯² （1-4）
 式中Ma ---電機啟動加速力矩（N.m)Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s²)  n---電機所需達到的轉速（r/min） T---電機升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10¯²                            （1-5）  Mf---導軌摩擦折算至電機的轉矩（N.m)u---摩擦系數η---傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10¯² （1-6） Mt---切削力折算至電機力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）負載起動頻率估算。數控系統控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為
  fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)]  1/2 （1-7） 式中fq---帶載起動頻率（Hz）
     fq0---空載起動頻率 Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算.
（5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。
（6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2 ～0.4)Mmax.