淺析步進電機的選擇與使用

焦偉

摘 要：步進電動機通常被用作定位控制和定速控制，不超載時，它的停止方向和轉(zhuǎn)速的情況由脈沖數(shù)目以及頻率決定，其中存在著線性的關(guān)系，所以在控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。它實質(zhì)上是一種變磁阻式、將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。該文重點介紹了步進電機的特點、步進電機的選型方法，希望對廣大讀者有所幫助。

關(guān)鍵詞：步進電機 選擇 使用

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0256-01

步進電動機通常被用作定位控制和定速控制，不超載時，它的停止方向和轉(zhuǎn)速的情況由脈沖數(shù)目以及頻率決定，其中存在著線性的關(guān)系，所以在控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

1 工作原理

它是一種變磁阻式、將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。工作時，首先步進驅(qū)動器會收到脈沖信號，電機會隨之轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步距角），旋轉(zhuǎn)方向是設(shè)定好的。正是由于旋轉(zhuǎn)方向和角度的固定，所以脈沖信號對轉(zhuǎn)過的角度有直接控制作用，從而保證定位的精確；同時步進電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度都可以由脈沖信號的頻率來控制，從而實現(xiàn)對速度的控制。輸入脈沖信號總數(shù)與電機總回轉(zhuǎn)角度成正比，其頻率也決定了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。步進電動機主要用于一些有定位要求的場合。例如：自動上下料轉(zhuǎn)臺、機器人滑臺等。步動電動機有多種勵磁方式，如永磁式、反應(yīng)式和混合式（又叫感應(yīng)子式），另外，相數(shù)方面也有多種，如單相、兩相、三相和多相等。

2 主要特點

（1）通常電機精度是步進角的3～5%，且不累積。

（2）步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。

（3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，因此步進電機難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩。

（4）電機的響應(yīng)通過輸入脈沖來確定，為簡化電機結(jié)構(gòu)和降低成本，常采用開環(huán)控制。

3 如何選擇

第一，要考慮根據(jù)負載所需要的功率來選擇步進電機，保證電機的輸出功率大于負載所需的功率。因此，計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩是首要步驟。具體分為三種情況，摩擦負載和慣性負載通常在電機直接起動時都要考慮；慣性負載則在加速起動時要著重考慮；摩擦負載在恒速運行時要予以考慮。具體應(yīng)用過程中，步進電機的靜轉(zhuǎn)矩一般為摩擦負載的2～3倍，要確定電機的電子座及長度，只要將靜轉(zhuǎn)矩確定下來即可（如圖1）。

第二，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)需求相一致。系統(tǒng)負載所要求的最小分辨率是可以換算到電機軸上的，具體就是此時電機應(yīng)走過的角度，步進電機的步距角應(yīng)不大于該角度。一般情況下，步進電機的步距角有1.5°/3°（三相）、0.36°/0.72°（五相）等。

第三，要特別重視電機的轉(zhuǎn)速。電機的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比：電機低速運轉(zhuǎn)時，輸出轉(zhuǎn)矩較大，在高速運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩就很小了。具體工況下要求高速電機時，必須對電動機的線圈電阻、電感等加以測量。通常，要獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩，需選擇電感稍小的電機做高速電機。反之，則最好選擇電感在十幾或幾十mH，電阻大一些的電機。

第四，根據(jù)計算出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，對照步進電機的矩頻曲線圖，確認選擇步進電機是否合理。

下面給出的是一個步進電機選型的計算示例，可以更好地理解電機選型的計算方法（如圖2）。

圖2中所示的是一種典型的由步進電機驅(qū)動的滾珠絲杠滑臺，已知絲杠直徑=20mm，導(dǎo)程=5mm，絲杠長=0.5m，負載M=10kg，聯(lián)軸器重量=0.1kg，直徑=40mm，機械效率η=0.9，摩擦系數(shù)μ=0.1；往復(fù)運動速度=3.6m/min，定位時間t=1s，加減速時間占比=0.1s。根據(jù)條件，初選某型號電機靜力矩T=1.5N·m，電機慣量=0.001kg·m2。

則（1）負載力矩0.017N·m（如圖3）；

（2）總負荷轉(zhuǎn)動慣量JM++kg·m2；

（3） 啟動轉(zhuǎn)矩==0.45N·m；

其中電機轉(zhuǎn)速n==360rpm；

（4）必須轉(zhuǎn)矩=2×（+）=0.93N·m

根據(jù)計算結(jié)果，對照步進電機的矩頻曲線圖，選擇步進電機合理。

參考文獻

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