試談步進電機的性能及其應用

【摘要】文章論述了步進電機的分類、性能、使用術語，并對使用時應注意的問題、選用計算方法以及步進電機及驅動器的選用進行了闡述。

【關鍵詞】步進電機；術語；計算方法

【中圖分類號】 U416 【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-1145（2008）02-0141-03

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制。

一、步進電機分類

步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式（HB）。

永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度。

反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。在歐美等發達國家80年代已被淘汰。

混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。

二、步進電機的性能

電機固有步距角：它表示控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。

步進電機的相數：是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則“相數”將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。

保持轉矩（HOLDINGTORQUE）：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。

DETENTTORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENTTORQUE在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。

三、步進電機使用的術語

步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。一般步進電機的精度為步進角的3%～5%，且不累積。

步進電機外表允許的最高溫度：步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80～90度完全正常。

步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降：當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。

步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲，步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。

相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。

拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數J*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）

靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。

雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。

四、步進電機使用時應注意

1.步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式步進電機的共振區一般在180～250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。

2.步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：如步進電機正好工作在共振區，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區；采用帶有細分功能的驅動器，這是最常用的、最簡便的方法；換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。

3.確定步進電機驅動器的直流供電電源。電壓的確定：混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。

電流的確定：供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。

五、步進電機的選用計算方法

選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。

選擇步進電機時，應使步距角和機械系統匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。

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，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續工作頻率能滿足機床快速移動的需要。

選擇步進電機需要進行以下計算：

（1） 計算齒輪的減速比

根據所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下:

i=(φ*S)/(360*Δ) (1-1) 式中φ ——步進電機的步距角（度/脈沖）

S——絲桿螺距（mm)

Δ——(mm/脈沖）

（2）計算工作臺，絲桿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——絲桿慣量(Kg.cm.s2)，W——工作臺重量（N），S——絲桿螺距（cm）。

（3） 計算電機輸出的總力矩M

M=Ma+Mf+Mt?（1-3）

Ma=（Jm+Jt)*n/T×1.02×10ˉ2 （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(Kg.cm.s2)， n——電機所需達到的轉速（r/min），T——電機升速時間（s）。

Mf=(u*W*s)/ (2π*η*i)×10ˉ2 （1-5）

Mf——導軌摩擦折算至電機的轉矩（N.m)， u——摩擦系數，η——傳遞效率

Mt=(Pt*s)/(2π*η*i)×10ˉ2 （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

數控系統控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為：

fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7）。

式中fq——帶載起動頻率（Hz），fq0——空載起動頻率，Ml——起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m)，若負載參數無法精確確定，則可按fq=1/2fq0進行估算。

（5） 運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。

（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機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2～0.4)Mmax.

六、步進電機及驅動器的選用

1.首先確定步進電機拖動負載所需要的扭矩。最簡單的方法是在負載軸上加一杠桿，用彈簧秤拉動杠桿，拉力乘以力臂長度既是負載力矩。或者根據負載特性從理論上計算出來。由于步進電機是控制類電機，所以目前常用步進電機的最大力矩不超過45Nm，力矩越大， 成本越高，如果您所選擇的電機力矩較大或超過此范圍，可以考慮加配減速裝置。

2.確定步進電機的最高運行轉速。轉速指標在步進電機的選取時至關重要，步進電機的特性是隨著電機轉速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多參數有關，如:驅動器的驅動電壓、電機的相電流、電機的相電感、電機大小等等，一般的規律是：驅動電壓越高，力矩下降越慢；電機的相電流越大，力矩下降越慢。在設計方案時，應使電機的轉速控制在1500轉/分或1000轉/分，當然這樣說很不規范，可以參考“矩-頻特性”。

3.根據負載最大力矩和最高轉速這兩個重要指標，再參考“矩-頻特性”，就可以選擇出適合自己的步進電機。如果您認為自己選出的電機太大，可以考慮加配減速裝置，這樣可以節約成本，也可以使您的設計更靈活。要選擇好合適的減速比，要綜合考慮力矩和速度的關系，選擇出最佳方案。

4.最后還要考慮留有一定的（如30%）力矩余量和轉速余量。

5.可以先選擇混合式步進電機，如果由于價格因素，可以選取反應式步進電機。

6.盡量選取細分驅動器，且使驅動器工作在細分狀態。

7.選取時且勿走入只看電機力矩這一個指標的誤區，也就是說并非電機的扭矩越大越好，要和速度指標一起考慮。

8.超小型驅動器和微型驅動器是靠外殼作為散熱器的，應固定在較大、較厚的金屬板上或外加風機散熱，如果沒有散熱條件，而驅動器又工作在轉速較低的場合（這時驅動器發熱較大），可以選用帶風機的90型驅動器代替。

9.三種系列的步進電機：uBYG通用系列，為圓形混合式電機.目前市場上應用較廣；vHS高扭矩系列，為方形混合式電機。其做工精細，體積小，輸出力矩大，和BYG系列相比，相同扭矩時其體積約為BYG系列的一半；wBF/BC反應式系列，此系列在幾年前應用最為廣泛（約占市場的90%），隨著混合式電機價格的下降，其反應式電機的使用率越來越小。

七、結語

步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一， 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在國民經濟領域都有較大應用。

【參考文獻】

[1]石學軍．步進電機原理使用說明．www.51c51.com

[2]趙奉先．提高步進電機運行速度的研究[J]．使用與維護，2000，(02)．

【作者簡介】譚新元(1969－)，男，岳陽職業技術學院機電工程系講師，研究方向：電氣控制。