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淺析步進(jìn)電機(jī)的選擇與使用

　　隨著機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見(jiàn)的執(zhí)行裝置得到了廣泛地應(yīng)用，因此生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠商越來(lái)越多，這就給用戶在其選擇上帶來(lái)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(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。

　　步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，它一般用作于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置。近年來(lái)由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)常用于和計(jì)算機(jī)組成高精度的數(shù)字控制系統(tǒng)。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置等只取決于脈沖信號(hào)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(gè)脈沖信號(hào)，其就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，這一線性關(guān)系的存在，與其只有周期性誤差而無(wú)累積誤差的特點(diǎn)，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(jìn)電機(jī)的廠商有很多，但具有專業(yè)技術(shù)人員能自行開(kāi)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?cè)诋a(chǎn)品的選擇上帶來(lái)了一些困惑。基于這種原因，本人結(jié)合實(shí)際工作情況所積累的理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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)廣大用戶在產(chǎn)品的選擇上能夠有所幫助。

　　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(guò)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(guò)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(guò)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?lè)较蛐�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(jiàn)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)，那么步進(jìn)電機(jī)的幾何尺寸，即機(jī)座就能確定下來(lái)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(guò)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。