淺析步進(jìn)電機(jī)的選擇與使用

摘要：隨著工業(yè)的快速發(fā)展。在當(dāng)今的生活生產(chǎn)中,人們對(duì)電動(dòng)機(jī)這門學(xué)科的知識(shí)需要有足夠的了解。而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,在機(jī)電一體化產(chǎn)品中有著關(guān)鍵作用。本公司以目前最常用的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，主要闡述了其工作原理、機(jī)械特性、實(shí)際應(yīng)用中的選擇和使用，希望對(duì)廣大用戶在其選擇上能有所幫助。
一、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理：
　　以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。在定子上有三對(duì)磁極，磁極上裝有勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組分成三相，即A、B、C。在轉(zhuǎn)子上均勻分布著四個(gè)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(jìn)電機(jī)A相通電，B和C相不通電時(shí)，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(duì)齊。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)B相通電，A和C相不通電時(shí)，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(duì)齊。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)C相通電，A和B相不通電時(shí)，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(duì)齊。
　　按照A-B-C-A的通電順序往復(fù)下去，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將按一定速度沿逆時(shí)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式，稱為三相單三拍方式。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(lì)磁繞組時(shí)，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(jìn)電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，基于這種原理，我們就可以生產(chǎn)出各種相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)。
二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械特性：
　　1、步距角及步距角精度。步距角是指給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)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(jìn)電機(jī)的參數(shù)表中給出兩個(gè)步距角。與工作原理相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)全步方式時(shí)，其步距角為30°；半步方式時(shí)，其步距角為15°。步距角精度是指步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(dòng)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(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率必須小于對(duì)應(yīng)的頻率值，否則就會(huì)出現(xiàn)失步；2）慣頻特性：指轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與輸入頻率的關(guān)系；3）起動(dòng)頻率：指步進(jìn)電機(jī)在帶動(dòng)一定負(fù)載時(shí)，不失步起動(dòng)的最高頻率；4）運(yùn)行頻率：指步進(jìn)電機(jī)不失步運(yùn)行的最高頻率。起動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間加速才能保證不失步，因此，在實(shí)際應(yīng)用中選用的運(yùn)行頻率應(yīng)該高于起動(dòng)頻率。
三、步進(jìn)電機(jī)的選擇：
　　步進(jìn)電機(jī)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(hào)了。
　　1、步距角的選擇
　　步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的軸上就是此時(shí)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)走過的角度，步進(jìn)電機(jī)的步距角應(yīng)該等于或小于該角度。在實(shí)際應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)要考慮摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載；加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載；恒速運(yùn)行時(shí)主要考慮摩擦負(fù)載。在實(shí)際應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩一般為摩擦負(fù)載的2-3倍的范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩一旦確定下來，那么步進(jìn)電機(jī)的幾何尺寸，即機(jī)座就能確定下來了。
　　3、電流的選擇：
　　步進(jìn)電機(jī)電流的選擇取決于系統(tǒng)的矩頻特性，步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，電流參數(shù)不同，其運(yùn)行性能也不同。在實(shí)際應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，力矩就越大，則要求其電流就越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓就越高。要使步進(jìn)電機(jī)的電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電源的電壓，就必須選擇小電感大電流的步進(jìn)電機(jī)。
四、步進(jìn)電機(jī)的使用：
　　1、步進(jìn)電機(jī)適用于低速場(chǎng)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(jìn)行工作，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的工作效率較高，噪聲較低；2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，因?yàn)檎�步狀態(tài)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)較大；3、步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)稱電壓值為12V時(shí)可以使用12V的驅(qū)動(dòng)電源，除此之外，其他步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行選擇；4、步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)慣量較大的負(fù)載時(shí)，應(yīng)該選擇較大機(jī)座號(hào)的步進(jìn)電機(jī)；5、步進(jìn)電機(jī)要求較高速運(yùn)行時(shí)，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(jìn)電機(jī)不失步；二能夠使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中減少噪聲；三能夠使步進(jìn)電機(jī)提高停車的定位精度；6、步進(jìn)電機(jī)要求較高精度運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該采用機(jī)械減速、提高步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方法，或采用5相步進(jìn)電機(jī)的方法；7、在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該遵循先選步進(jìn)電機(jī)再選步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原則。
   選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。
 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算：
  （1）計(jì)算齒輪的減速比 ： 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，齒輪減速比i計(jì)算如下:
i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1)    式中φ ---步進(jìn)電機(jī)的步距角（º/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖）
（2）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)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(jī)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(tái)重量（N）S ---絲桿螺距（cm）
（3）計(jì)算電機(jī)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(jī)啟動(dòng)加速力矩（N.m)Jm、Jt---電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s²)  n---電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min） T---電機(jī)升速時(shí)間（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10¯²                            （1-5）  Mf---導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m)u---摩擦系數(shù)η---傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10¯² （1-6） Mt---切削力折算至電機(jī)力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)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(dòng)頻率（Hz）
     fq0---空載起動(dòng)頻率 Ml---起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m) 若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算.
（5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。
（6）負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。負(fù)載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特性決定的電機(jī)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(yīng)小于（0.2 ～0.4)Mmax.