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淺析步進電機的選擇與使用

　　隨著機電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，步進電機作為機電一體化系統(tǒng)中常見的執(zhí)行裝置得到了廣泛地應(yīng)用，因此生產(chǎn)步進電機的廠商越來越多，這就給用戶在其選擇上帶來了一些困惑。基于這種原因，本人以目前最常用的反應(yīng)式步進電機為例，主要闡述了其工作原理、機械特性、實際應(yīng)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。

　　步進電機又稱脈沖電動機，它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的執(zhí)行電動機，它一般用作于開環(huán)控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置。近年來由于計算機應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，步進電機常用于和計算機組成高精度的數(shù)字控制系統(tǒng)。在非超載的情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置等只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給其加一個脈沖信號，其就會轉(zhuǎn)動一個步距角，這一線性關(guān)系的存在，與其只有周期性誤差而無累積誤差的特點，使其在速度、位置等控制領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。

　　目前，生產(chǎn)步進電機的廠商有很多，但具有專業(yè)技術(shù)人員能自行開發(fā)研制的廠商卻很少，大多數(shù)廠商只是處于盲目的仿制階段，其辦廠規(guī)模不是很大，甚至連最基本的專業(yè)設(shè)備都不具備，這就給我們在產(chǎn)品的選擇上帶來了一些困惑。基于這種原因，本人結(jié)合實際工作情況所積累的理論知識與實踐經(jīng)驗，以目前最常用的反應(yīng)式步進電機為例，主要闡述了其工作原理、機械特性、實際應(yīng)用中的選擇和使用，希望對廣大用戶在產(chǎn)品的選擇上能夠有所幫助。

　　一、反應(yīng)式步進電機的工作原理

　　以三相反應(yīng)式步進電機為例。三相反應(yīng)式步進電機由定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上均勻分布著四個相位差為90°的轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子上不裝設(shè)繞組，為硅鋼片或軟磁性鋼片疊成的鐵心。

　　當(dāng)步進電機A相通電，B和C相不通電時，由于A相繞組產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子的A相對齊。當(dāng)步進電機B相通電，A和C相不通電時，由于B相繞組產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣將使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子的B相對齊。當(dāng)步進電機C相通電，A和B相不通電時，由于C相繞組產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路，這樣將使轉(zhuǎn)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(fù)下去，則步進電機的轉(zhuǎn)子將按一定速度沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。反之，若按照A-C-B-A的通電順序往復(fù)下去，則步進電機的轉(zhuǎn)子將反方向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)其定子上有m相勵磁繞組時，其軸線分別與轉(zhuǎn)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(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行，基于這種原理，我們就可以生產(chǎn)出各種相數(shù)的步進電機。

　　二、反應(yīng)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(zhuǎn)過的角度，即Ψ=360°/（KmZ），其中m為相數(shù)；Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；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(shù)表中給出兩個步距角。與工作原理相對應(yīng)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(tài)下每步轉(zhuǎn)過角度與理論角度之差，一般其步距角精度小于10′。

　　2、靜態(tài)特性。1）矩角特性：指在不改變通電狀態(tài)的條件下，步進電機靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系，即T=-kI2sin，其中k為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；I為控制繞組電流；為失調(diào)角；2）最大靜轉(zhuǎn)矩：矩角特性中靜轉(zhuǎn)矩的最大值，即Tmax=kI2。

　　3、動態(tài)特性。1）矩頻特性：指輸出轉(zhuǎn)矩與輸入頻率的關(guān)系。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定的條件下，步進電機運行頻率必須小于對應(yīng)的頻率值，否則就會出現(xiàn)失步；2）慣頻特性：指轉(zhuǎn)動慣量與輸入頻率的關(guān)系；3）起動頻率：指步進電機在帶動一定負(fù)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(yīng)用中選用的運行頻率應(yīng)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(zhuǎn)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(tǒng)負(fù)載分辨率的要求，將系統(tǒng)負(fù)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(yīng)走過的角度，步進電機的步距角應(yīng)該等于或小于該角度。在實際應(yīng)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(zhuǎn)矩的選擇

　　步進電機靜轉(zhuǎn)矩的選擇取決于系統(tǒng)負(fù)載種類的要求，系統(tǒng)負(fù)載的種類分為摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載。步進電機直接起動時要考慮摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載；加速起動時主要考慮慣性負(fù)載；恒速運行時主要考慮摩擦負(fù)載。在實際應(yīng)用中，步進電機的靜轉(zhuǎn)矩一般為摩擦負(fù)載的2-3倍的范圍內(nèi)，步進電機的靜轉(zhuǎn)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(tǒng)的矩頻特性，步進電機的靜轉(zhuǎn)矩一定時，電流參數(shù)不同，其運行性能也不同。在實際應(yīng)用中，步進電機的轉(zhuǎn)速越高，力矩就越大，則要求其電流就越大，驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)速一般在300-600r/min，可通過減速裝置使其在此范圍內(nèi)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(tài)，因為整步狀態(tài)時步進電機的振動較大；3、步進電機的標(biāo)稱電壓值為12V時可以使用12V的驅(qū)動電源，除此之外，其他步進電機的驅(qū)動電源可以根據(jù)驅(qū)動器進行選擇；4、步進電機拖動慣量較大的負(fù)載時，應(yīng)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(yīng)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(yīng)該采用機械減速、提高步進電機轉(zhuǎn)速的方法，或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器驅(qū)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(yīng)用中，應(yīng)該遵循先選步進電機再選步進電機驅(qū)動器的原則。