步進電動機在裝備制造業中的應用經驗

黃捷建，王 軍，肖哲之

(深圳市雷賽智能控制股份有限公司，廣東深圳518052)

0 引 言

步進電動機不使用反饋裝置就可以進行速度控制及定位控制(即開環控制)，所以這種驅動方案既經濟又可靠。在裝備制造業的設備、儀器中，步進驅動已經得到了非常廣泛的應用。但很多用戶技術人員對如何選用適宜步進電動機，如何使步進驅動性能最佳發揮還是有較多疑問。本文論述了步進電動機的選型方法，重點介紹一些步進電動機工程應用經驗，以推動步進電動機在裝備制造業的更廣泛普及。

1 步進電動機的選型

1.1 步進電動機簡介

步進電動機又稱為脈沖電動機或階躍電動機，它根據輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態就前進一定的角度，勵磁狀態不變時則保持一定位置靜止［1］。由此，步進電動機可以將輸入的脈沖信號轉化為對應的角位移進行輸出。通過控制輸入脈沖的數量可以準確確定輸出的角位移以實現定位的功能;而通過控制輸入脈沖的頻率可以準確控制輸出的角速度而達到調速的目的。因此在需要準確定位或調速控制時均可考慮使用步進電動機。20世紀60年代后期，各種實用性步進電動機應運而生且發展較快。步進電動機已經能與直流電機、異步電機，以及同步電機并列，成為電動機的一種基本類型。我國自20世紀80年代中期以來，對步進電動機的精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進電動機及驅動器已經在各行業得到廣泛應用。步進電動機有反應式(VR型)、永磁式(PM型)、混合式(HB型)三種類型。混合式步進電動機綜合了前兩種形式步進電動機的優點，目前國內的裝備制造業中所用步進電動機基本都是混合式步進電動機。本文以下介紹的步進電動機均指混合式步進電動機。

圖1 步進電動機結構示意圖

步進電動機結構如圖1所示。如步進電動機由轉子(轉子鐵心、永磁體、轉軸、滾珠軸承)，定子(繞組、定子鐵心)，前后端蓋等組成。典型的兩相混合式步進電動機的定子有8個大齒，40個小齒，轉子有50個小齒;三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉子有50個小齒。

步進電動機無法直接連通電源工作，也無法直接接收電脈沖信號，它必須通過特殊的接口，即步進電動機驅動器來實現和電源、控制器的交互。步進電動機驅動器如圖2所示，一般由環形分配器及功率放大電路組成。環形分配器接收來自控制器的控制信號。每接收到一個脈沖信號環形分配器的輸出就會轉換一次，因此，脈沖信號的有無和頻率就可以決定步進電動機轉速的高低、加速還是減速、起動還是停止。環形分配器還必須監測控制器的方向信號，從而決定其輸出狀態的轉換是正序或反序，從而確定步進電動機的轉向。

圖2 步進電動機控制原理圖

1.2 步進電動機的主要參數

(1)機座號:主要有35、39、42、57、86、110 等。

(2)相數:步進電動機內部的線圈數，步進電動機相數一般有二相、三相、五相。中國使用的步進電動機以二相為主，三相也有部分應用。日本則較多用五相步進電動機。

(3)步距角:對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。步進電動機的步距角計算公式如下:

式中:θb為步進電動機步距角;m為步進電動機相數;zr為步進電動機轉子齒數。

按照以上計算公式，二相、三相、五相步進電動機的步距角分別是 1.8°、1.2°和 0.72°。

(4)保持轉矩:是指電機定子繞組通額定電流，但轉子沒有轉動時，定子鎖住轉子的轉矩。保持轉矩是步進電動機的最重要參數，是電機選型的主要依據。

(5)定位轉矩:是指電機沒有通電流的情況下，用外力轉動轉子所需要的扭矩。該轉矩是評價電機性能指標之一，在其它參數相同的情況下，定位轉矩越小表示“齒槽效應”越小，對電機低速運行的平穩性越有利。

(6)矩頻特性:主要指牽出矩頻特性，電機穩定運行在某一轉速時所能夠承受不失步的最大轉矩。矩頻曲線用來描述不失步的最大轉矩與轉速(頻率)的關系。矩頻曲線是步進電動機的重要參數，是電機的選型主要依據之一。

(7)額定電流:保持額定轉矩，所需要的電機繞組電流有效值。

1.3 步進電動機的選型

工業應用中所用步進電動機速度高達600～1 500 r/min，更高轉速，建議選用伺服驅動方案較合適。步進電動機選型步驟如圖3所示。

圖3 步進電動機選型步驟

(1)步距角的選擇

如上所述，按照電機相數不同，有三種步距角:1.8°(二相)、1.2°(三相)、0.72°(五相)。當然五相的步距角精度最高，但其電機及驅動器價格較昂貴，所以國內極少采用。再加上現在的主流步進驅動器都采用了細分驅動技術，在4細分以下，細分步距角精度還是可以保證的，所以如果單獨從步距角精度的指標考慮，五相步進電動機可以由二相或三相步進電動機取代。

例如，在某種導程為5 mm的絲桿負載應用中，如果采用二相步進電動機，驅動器設置在8細分，則電機每轉的脈沖數為200×4=800個，脈沖當量為5 ÷800=0.006 25 mm=6.25 μm，此精度可以滿足大部分應用要求。

(2)靜轉矩(保持轉矩)選擇

常用負載傳動機構有同步帶、絲桿、齒輪齒條等，客戶需首先計算其機器負載(主要是加速轉矩加上摩擦轉矩)折算到電機軸上所需負載轉矩。然后按照電機所需最高運行速度，分以下兩種不同使用情況，選用合適保持轉矩的步進電動機。

①對所需電機速度為300 r/min以下的應用:如機器負載折算到電機軸上所需負載轉矩為T1，則此負載轉矩再乘以一個安全系數SF(一般取1.5～2.0)，即得到所需步進電動機的保持轉矩Tn。

②對所需電機速度為300 r/min以上的應用:設最高轉速nmax，如機器負載折算到電機軸上所需負載轉矩為T1，則此負載轉矩再乘以安全系數SF(一般取2.5 ～3.5)，即得到保持轉矩 Tn。參考表1，初選一種合適型號。然后再利用矩頻曲線進行查驗對比:在矩頻曲線上，用戶所需的最高轉速nmax，對應此最高速度的最大失步轉矩為T2，則此最大失步轉矩T2需比T1大20%以上。否則，需重新選定保持轉矩大一個規格的電機，按照新選電機的矩頻曲線重新查驗對比。

(3)電機機座號選擇:電機機座越大，其保持轉矩越大。步進電動機的常見機座號及保持轉矩范圍，如表1所示。

表1 步進電動機的常見機座號及其保持轉矩

按照步驟(2)中計算得到的保持轉矩Tn，從圖4中選擇適宜的機座號及相應電機具體規格。

(4)按照額定電流來選定配套步進驅動器，例如，某電機57HSS22的額定電流為5 A(并聯接法)，則選配的驅動器的允許最大電流需5 A以上(請注意是有效值而不是峰值)，否則如果選了一款最大電流僅3 A的驅動器，則電機的最大輸出轉矩僅能60%左右。

2 步進電動機的應用經驗

2.1 步進電動機驅動器的電壓等級決定其力能指標

式中:T為轉矩;KT為轉矩常數;I為繞組電流。

以上三個公式可以解釋為何步進電動機的轉矩隨著電機轉速的增大而降低:隨著電機轉速n的上升，反電動勢E越來越大;在U一定的條件下，E的增大導致能夠產生的繞組電流越來越小;所以能夠產生的轉矩也越來越小。

圖4是某電機在驅動器不同供電電壓情況下的矩頻曲線對比。由圖4可知，步進驅動器的供電電壓對電機的高速性能有較大影響。

圖4 某電機在不同電壓情況下的矩頻曲線

供電電壓為48 V時，隨著電機轉速的上升，電機能輸出的最大轉矩在明顯變小，例如在120 r/min時，失步轉矩為6.2 N·m，但在速度高到600 r/min時，失步轉矩僅剩1.6 N·m。

兩組曲線對比可知，在低速運行時，不同供電電壓(68 V與48 V)條件下，能產生轉矩基本一樣;但速度在120 r/min以上，68 V供電能產生的轉矩明顯比48 V供電高。因此如需要步進電動機速度較高時，仍要求較大轉矩，需為驅動器選用盡可能高的電壓。

步進電動機出廠時會給出步進電動機的額定電壓，此電壓其實就是電機的額定電流與電機繞組電阻的乘積。一般的應用經驗是輸入電壓一般選定在步進電動機額定電壓的3～25倍。

步進電動機一定時，供電電壓越高，步進電動機在中高速能產生的力矩越大，越有利于需要高速應用的場合，但電機的發熱隨著電壓、電流的增加而加大，所以要注意步進電動機的溫升限值。

2.2 步進電動機驅動器的電流設定

對某種步進電動機，在低速運行時，其失步轉矩隨著繞組電流的增大接近成正比，這個與永磁同步電機一樣。但是隨著轉速的上升，由以上分析可知，通過電機繞組的實際電流已經在明顯降低，所以在速度較高時，為驅動器設定較大的電流并不能提高電機的高速性能，而且會導致電機溫度太高，所以電機驅動器電流值一般設定在額定電流的70%～100%。

57HS22電機在驅動器峰值電流設定在5.6 A時，不同轉速的繞組電流波形如圖5、圖6所示。

圖5 57HS22電機在1 r/s時的繞組電流波形

圖6 57HS22電機在15 r/s時的繞組電流波形

從圖5、圖6的比較可知:在低速時，電機繞組電流波形是標準的正弦波，幅值為5.6 A左右。但隨著轉速的增加，電流波形明顯偏離正弦波，而且幅值降低很快，15 r/s時，電流幅值降低到2 A以下。

2.3 如何降低步進電動機運行時的殼體溫度

電機的損耗主要是鐵耗和銅耗。

鐵心損耗PFe:電樞鐵心中磁場交變，會產生渦流損耗和磁滯損耗。鐵耗隨著磁密的增大及電流的頻率增大而增大。對相同速度的步進電動機和交流伺服電機(以8極伺服電機為例)，前者的電流頻率是后者的12.5倍，因此前者的鐵耗比后者大很多。

綜合以上兩個方面的分析可知，步進電動機的損耗遠高于伺服電機的損耗，步進電動機的效率遠低于伺服電機的效率。其最直接的結果就是尺寸接近的兩種電機，步進電動機的溫升一般會遠高于伺服電機的溫升。例如，在工業應用中步進電動機的殼體溫度達到80℃以上是很常見的，而伺服電機的殼體溫度一般都在50℃以下。步進電動機一般為B級絕緣，小部分為F級絕緣，因此電機工作在殼體溫度為90℃以內是正常的，不會影響電機性能。

降低步進電動機殼體溫度辦法:

(1)選用厚度較薄的定轉子沖片。例如用沖片厚度為0.35 mm的步進電動機比厚度為0.5 mm的溫升會低一些。

(2)為驅動器選用電壓等級比較低的電源。我們曾經做過一個對比測試:57HS13步進電動機，驅動器供電電源分別為36 V和48 V，電機以2 r/s的速度空載連續運行，環境溫度為28℃。然后測試各自的殼體穩態溫度。結果表明前者的殼體穩態溫度為47℃，后者的溫度為58℃，區別非常明顯(但要注意中高速力矩會變小)。

(3)適當降低驅動器的設定電流(但要注意中低速力矩會變小)。

(4)驅動器設定在半流狀態。在電機停止后一定時間內(如幾百毫秒)驅動器自動把繞組電流減半，電機停止時銅耗降低為全流時的1/4。

2.4 步進電動機的不同接線方式對性能的影響

常見的二相步進電動機有三種引出線:4引出線、6引出線、8引出線。工程師對4引出線步進電動機的使用很熟悉。下面重點介紹單極性驅動、雙極性驅動以及6引出線、8引出線步進電動機的使用方法。

單極性驅動原理如圖7所示。早期的步進電動機多為單極性驅動，優點是驅動電路較簡單，驅動器成本較低，但其控制模式為每一相都由半繞組輪流通電，一半繞組沒得到充分利用，電機的力能指標相應較小。

圖7 單極性驅動原理圖

雙極性驅動如圖8所示。目前步進電動機多為雙極性驅動，優點是繞組得到充分利用，電機的力能指標較高。缺點是驅動器所需元件比單極性驅動多一些，但目前電子器件價格已較低，所以雙極性動器與單極性驅動器成本已很接近。

圖8 雙極性驅動原理圖

(1)6引出線步進電動機可采用以下三種驅動模式:單極性驅動、雙極性驅動半繞組(高速模式)、雙極性驅動全繞組(高力矩模式)。

(2)8引出線步進電動機可采用以下三種驅動模式:單極性驅動、雙極性驅動并聯接法、雙極性驅動串聯接法。

步進電動機不同的接線模式參如圖9所示。不同的接線模式，驅動器的電流設置不同。很多電機廠的6線和8線電機的圖紙僅給出單極性接法的額定電流，實際應用中，不同接法具體步進驅動器電流的設置方法如下:

4線電機:輸出電流為電機額定電流值(實際應用為降低電機溫度，略小于電機額定電流值)。

6線電機高速模式:輸出電流為電機單極性接法額定電流的100%。

6線電機高力矩模式:輸出電流為電機單極性接法額定電流的50%。

8線電機并聯接法:輸出電流為電機單極性接法額定電流的100%，高速性能好。

8線電機串聯接法:輸出電流為電機單極性接法額定電流的50%，低速力矩大。

圖10是某8線電機在并聯接法與串聯接法的矩頻曲線對比。

圖10 步進電動機在并聯接法與串聯接法的矩頻曲線對比

圖10表明，串聯接法的步進電動機，隨著電機轉速的提高，失步轉矩急劇下降，在速度為3 r/s時，轉矩已經下降到0.4 N·m(不到保持轉矩的1/3)。因此，當電機所需的最高轉速高于2 r/s時，建議用并聯接法來保證電機有足夠的輸出轉矩。裝備制造業所用步進電動機絕大部分為并聯接法。

2.5 三相步進電動機與二相步進電動機

與二相電機比較，三相電機的主要優點如下:(1)步距角小，分辨率更高，為二相步進電動機的1.5倍，能進行高精度定位。

(2)相同尺寸的電機，三相比二相步進電動機能產生更大的轉矩，加速性能較好。

(3)兩相步進電動機受到激磁電流的三次諧波影響，而三相步進電動機的三次諧波由三相步進電動機的構造抵消，所以與二相步進電動機相比，三相步進電動機的振動噪聲較小。

(4)齒槽轉矩比二相步進電動機小，所以三相步進電動機低速平穩性較好。

正因為三相步進電動機具有以上優點，價格僅比兩相步進驅動的價格略高一點，所以近幾年三相步進驅動呈現越來越快的增長勢頭。

2.6 步進電動機的低頻共振問題

細分步進驅動器是降低步進電動機低頻共振的有效方法。在150 r/min以下，細分驅動對降低電機振動效果是很明顯的。理論上，細分越大，對降低步進電動機振動效果越好，但實際情況是，細分增大到8或16以后，對降低步進電動機振動的改善效果就已經達到極致了［2］。

近幾年國外已有抗低頻共振的步進驅動器上市，目前國內也有雷賽的DM、AM系列產品，采用了抗低頻共振技術。該系列驅動器利用諧波補償，通過幅值、相位的匹配補償，可以極大程度地降低步進電動機低頻振動，實現電機低振動低噪聲運行。

2.7 步進電動機細分對定位精度的影響

步進電動機細分驅動電路不但可以提高裝備運動的平穩性，而且可以有效地提高裝備的定位精度。試驗表明:在同步帶傳動的運動平臺上，步進電動機4細分時，電機每步都可以準確定位。

3 結 語

本文從工程應用角度出發，給出步進電動機的選型方法，以及諸多步進電動機工程應用經驗。可以幫助技術人員更好、更有效率地選擇和使用步進電動機。對推動步進電動機在裝備制造業的應用與普及有一定參考作用。

［1］ 程樹康，劉寶廷.步進電動機及其驅動控制系統［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2007.

［2］ 李勁松，左力.步進電機細分數對運動平臺性能影響的研究［J］.伺服與運動控制，2008(3):49-50.