淺談步進電機技術

【摘 要】本文介紹了步進電機電機的特點、選擇方法及對其常見問題的分析。

【關鍵詞】步進電機；特點；選擇；常見問題

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。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 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，在各個國民經濟領域都有應用。

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?？梢酝ㄟ^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。

現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，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?；旌鲜讲竭M電機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。

1.步進電機的一些特點

（1）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。

（2）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。

（3）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。

（4）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）。

2.步進電機的選擇

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。

選擇步進電機需要計算的內容包括：

（1）齒輪的減速比。

（2）工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。

（3）電機輸出的總力矩M。

（4）負載起動頻率（估算）。

（5）運行的最高頻率與升速時間。

（6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。

3.步進電機的一些常見問題

3.1步進電動機的失步

原因一：轉子的加速度慢于步進電機的旋轉磁場，也即是低于換相速度而產生的。這是因為輸入電機的電能不足，在步進電機中產生的同步力矩無法令轉子速度跟隨定子磁場的旋轉速度，從而引起失步。并且凡是比這時頻率高的工作頻率都必將失步。這種失步說明了步進電機的拖動能力不夠。一旦減少負載，或者提高繞組的激磁電流，則有可能克服失步。

原因二：轉子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉速度。這時定子通電激磁的時間較長，大于轉子步進一步所需的時間，則轉子在步進過程中獲得了過多的能量，從而產生前沖和后沖的擺動振蕩。當振蕩足夠嚴重時就導致失步。

3.2如何讓電機保持轉矩

保持轉矩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。

3.3步進電動機振蕩的原因

原因一：振蕩是步進電機在工作時存在的一般現象，但嚴重的振蕩會引起失步。振蕩的原因有多種，其中主要的原因有步進電機處于低頻單步運行;步進電機的換相頻率和轉子的特征頻率、倍特征頻率、分數特征頻率相等;步進電機突然停車等情況。

原因二：當步進電機進行單步旋轉時，其工作頻率必定處于低頻區。在開始工作時，轉子在磁場力矩的作用下加速轉動，當轉子轉到新的平衡點時其速度仍然相當高，從而沖過了平衡穩定點產生過沖。車子一方面向前過沖，當轉子速度減到為零時，由于磁場拉力矩的作用則反向沖向平衡點，又形成反向過沖。由于機械磨擦力矩及電磁力矩的作用。形成一個衰減振動過程。最后，轉子則穩定停在平衡點。

實際應用中對步進電機有哪些要求：

（1）步進電機在電脈沖的控制下能迅速起動、正反轉、停轉及在很寬的范圍內進行轉速調節。

（2）加工精度高，即要求一個脈沖對應的位移量小，并要準確、均勻。這就要求步進電機步距小，步距精度高，不得丟步或是過沖。

（3）動作快速。即不僅起動、停步、反轉快，并能連續高速運轉以提高勞動生產率。

（4）輸出轉矩大，可直接帶動負載。

步進電動機以其顯著的特點，在數字化制造時代發揮著重大的用途。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。 [科]