淺析步進電機的選擇與使用

摘要：隨（suí）著工業的快（kuài）速發展。在（zài）當今的生活（huó）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（shì）係統中的執行元件,在機電一體化（huà）產品中（zhōng）有著關鍵作用。本公司以目前最常用的反應式（shì）步進電機為例，主要闡（chǎn）述了其工（gōng）作原（yuán）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（shàng）能有所幫助。
一、反應式步進電機的（de）工作原理：
　　以三相反應式步進電機（jī）為（wéi）例。三相反應式步（bù）進電機由定（dìng）子和轉子兩大部分組成（chéng）。在定子上有三對磁極，磁極上（shàng）裝有勵磁（cí）繞組，勵磁繞組分成（chéng）三相，即A、B、C。在轉子上均勻分布著四個相位差為（wéi）90°的轉子齒，轉子上不裝設繞組，為矽鋼片或軟磁性鋼片（piàn）疊成的鐵心。
　　當步進（jìn）電機A相通電，B和C相不通電時，由於A相繞組產生的磁通要經過磁阻最小的路（lù）徑形成閉合磁路，這樣將使轉（zhuǎn）子齒1、3和定子的A相對齊。當步進（jìn）電機B相通電，A和C相不通電（diàn）時（shí），由於B相繞組產生的（de）磁通要經過磁阻（zǔ）最小的路徑形成（chéng）閉（bì）合磁（cí）路，這樣將使轉子（zǐ）齒2、4和定（dìng）子的B相（xiàng）對齊。當步進電機C相通電，A和B相不通電時（shí），由於C相繞組產（chǎn）生的磁通要經過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這（zhè）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（xù）往複下（xià）去，則步進電機的轉子（zǐ）將按一定速度沿逆時（shí）針方向（xiàng）旋轉。反（fǎn）之，若按照A-C-B-A的通電順序往複下（xià）去，則步進電機的轉子將反方向轉動。這種通（tōng）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（hé）AC-CB-BA-AC）和三相單、雙六拍（即（jí）A-AB-B-BC-C-CA-A和A-AC-C-CB-B-BA-A）的通電（diàn）方式。
　　由此可見，步進電機轉速大小取決於三相控（kòng）製繞組通、斷電源的頻率，方向取決於其通電順序。當其定子上有m相勵磁繞組時，其軸線分（fèn）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（xù），步進電機就能實（shí）現正反轉運行，基於（yú）這種原理（lǐ），我們就可以生產（chǎn）出各種相數的步進電機。
二、反應式步進電（diàn）機（jī）的機械特性：
　　1、步距角及步距角精度。步距（jù）角是指（zhǐ）給步進電機輸入一個脈衝後其所（suǒ）轉過的角度（dù），即Ψ=360°/（KmZ），其中m為相數；Z為轉子齒數；K為通電方式，全（quán）步方式K=1，半步方式K=2，通常在（zài）步進電機的參數表中給出兩（liǎng）個步距角。與工作原理相對應的（de）步進電機全步方式時（shí），其步距角為30°；半步方式時，其步距角為15°。步距（jù）角精（jīng）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於10′。
　　2、靜態（tài）特性。1）矩角特（tè）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（zhī）間的關係，即T=-kI2sin，其中k為轉矩常數；I為控製繞組電流；為失調角；2）最大靜轉矩：矩角（jiǎo）特性中靜轉矩的（de）最大值，即Tmax=kI2。
　　3、動態特性。1）矩（jǔ）頻特性：指輸出轉矩與輸入頻率的關係。在負載轉矩一定的條件下，步進電機運行頻率必須（xū）小於對應的頻率值，否則就會出現失步；2）慣（guàn）頻特（tè）性（xìng）：指轉動慣量與輸入頻率的關係；3）起動頻（pín）率：指步進電機在帶動（dòng）一定負載時，不失步起動的最高頻率；4）運行頻率：指步進電（diàn）機（jī）不失步運行的最（zuì）高頻率。起動時，步（bù）進電機需要足夠長的時間加速才能保證不失步，因此，在（zài）實際應用中選（xuǎn）用的運行頻率應該高於起動頻率。
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（de）大小，就能確定其型號了。
　　1、步距（jù）角（jiǎo）的選（xuǎn）擇
　　步進電機（jī）步距角的選擇取（qǔ）決（jué）於係統（tǒng）負載分辨率（lǜ）的要求，將係統負載所要求的最小分（fèn）辨率換算到步進電機的軸上（shàng）就是（shì）此時步進電機應走過的角（jiǎo）度，步進電機的步距角應該等於或小於該角度。在實際應用中，步進電（diàn）機（jī）的步距角一般有（yǒu）1.5°/3°（三相）、0.9°/1.8°（二相（xiàng）或四相）、0.36°/0.72°（五相）等等。
　　2、靜轉矩的（de）選擇：
　　步進電機靜轉矩的（de）選擇（zé）取決於係統負載種類的要求（qiú），係（xì）統負載的種類分為摩擦負載和慣（guàn）性負載。步進電機直接起動時要（yào）考慮摩擦（cā）負載和慣性負載；加速起（qǐ）動（dòng）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（zhuǎn）矩一般為摩擦負載的2-3倍的範圍內，步進電機的靜轉矩一旦確定下來，那麽步（bù）進電機（jī）的幾何（hé）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於係統的（de）矩頻特性，步進電機的靜轉（zhuǎn）矩一定時，電流參數不（bú）同，其運行性能也不同。在實（shí）際應用中，步進（jìn）電機（jī）的（de）轉（zhuǎn）速越高，力矩就越大，則要求其電（diàn）流就越大，驅動電源的電壓（yā）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、步進電機適用於低速場合，其最高工作轉速一般在300-600r/min，可通過減（jiǎn）速裝置使其在（zài）此範圍內（nèi）進行工作，此時步進電機的工作效率（lǜ）較高，噪聲（shēng）較低；2、步進（jìn）電機最好不（bú）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（diàn）機的標稱電壓值（zhí）為12V時可（kě）以使用12V的驅動（dòng）電源，除此之外，其他步進電（diàn）機（jī）的驅動電源可以（yǐ）根據驅動器進行（háng）選擇；4、步進電（diàn）機拖（tuō）動慣量較大的負（fù）載（zǎi）時，應該選擇較大（dà）機座號（hào）的步進電機；5、步（bù）進電機要求較高（gāo）速運行時，應該采用逐漸升頻提速的方法。這樣做的（de）好處是：一能夠使步進電（diàn）機不失步；二能夠使步進電機在運行中減少（shǎo）噪聲；三能夠使步進電機提高（gāo）停車的定位精度；6、步進電機要求較高（gāo）精度運行時，應該采用機械減（jiǎn）速、提高（gāo）步進電機轉速的方（fāng）法，或采用高細（xì）分數的驅動器（qì）驅動步進電機的方（fāng）法，或采（cǎi）用5相步進電機的方法（fǎ）；7、在實際應用中，應（yīng）該遵循先選步進電機再選步進電機驅動器（qì）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（zhī）與（yǔ）步進電機的慣（guàn）性頻率特性相匹配還有一定的餘量，使之（zhī）最高速連續工作頻率能滿足機床快速移動的需要。
 選（xuǎn）擇步進電機需要進行（háng）以下計算：
  （1）計算（suàn）齒輪的減速比 ： 根（gēn）據所要求脈衝（chōng）當量（liàng），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（jù）角（º/脈衝） S ---絲杆螺距（mm) Δ---(mm/脈衝）
（2）計算工作台，絲（sī）杆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（shì）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 ----絲杆慣量(Kg.cm.s²)  W---工作台重量（N）S ---絲（sī）杆螺距（cm）
（3）計算電（diàn）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（liàng）(Kg.cm.s²)  n---電機所需達到（dào）的轉速（r/min） T---電機升速（sù）時（shí）間（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10¯²                            （1-5）  Mf---導軌摩擦折算至（zhì）電機的轉（zhuǎn）矩（N.m)u---摩擦係數η---傳遞效（xiào）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。數控係統控製電機的啟動頻率與負載（zǎi）轉矩和慣量有很大關係，其估算公式為
  fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)]  1/2 （1-7） 式（shì）中fq---帶載起（qǐ）動頻率（Hz）
     fq0---空載起動（dòng）頻率 Ml---起動頻率下由矩頻（pín）特性決定的電機輸（shū）出力矩（N.m) 若負載參數無法精確（què）確定,則可按fq=1/2fq0進行估算.
（5）運行的最高頻率與（yǔ）升速時間（jiān）的計（jì）算。由於電機的（de）輸出力矩隨著（zhe）頻率的升（shēng）高而下降，因此在最（zuì）高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅（qū）動負載，並留有足夠（gòu）的餘量。
（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（diàn）機輸（shū）出力矩要大於Mf與Mt之和，並留有餘量。一般來說，Mf與Mt之和應小於（0.2 ～0.4)Mmax.