试谈步进电机的性能及其应用

【摘要】文章论述了步进电机的分类、性能、使用术语，并对使用时应注意的问题、选用计算方法以及步进电机及驱动器的选用进行了阐述。

【关键词】步进电机；术语；计算方法

【中图分类号】 U416 【文献标识码】A

【文章编号】1674-1145（2008）02-0141-03

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

一、步进电机分类

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。在欧美等发达国家80年代已被淘汰。

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

二、步进电机的性能

电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩（HOLDINGTORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

DETENTTORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

三、步进电机使用的术语

步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。一般步进电机的精度为步进角的3%～5%，且不累积。

步进电机外表允许的最高温度：步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80～90度完全正常。

步进电机的力矩会随转速的升高而下降：当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声，步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）

静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

四、步进电机使用时应注意

1.步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180～250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

2.步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

3.确定步进电机驱动器的直流供电电源。电压的确定：混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

电流的确定：供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

五、步进电机的选用计算方法

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。

选择步进电机需要进行以下计算：

（1） 计算齿轮的减速比

根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:

i=(φ*S)/(360*Δ) (1-1) 式中φ ——步进电机的步距角（度/脉冲）

S——丝杆螺距（mm)

Δ——(mm/脉冲）

（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt

Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2）

式中Jt——折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)， J1、J2——齿轮惯量(Kg.cm.s2)

Js——丝杆惯量(Kg.cm.s2)，W——工作台重量（N），S——丝杆螺距（cm）。

（3） 计算电机输出的总力矩M

M=Ma+Mf+Mt?（1-3）

Ma=（Jm+Jt)*n/T×1.02×10ˉ2 （1-4）

式中Ma——电机启动加速力矩（N.m)， Jm、Jt——电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)， n——电机所需达到的转速（r/min），T——电机升速时间（s）。

Mf=(u*W*s)/ (2π*η*i)×10ˉ2 （1-5）

Mf——导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)， u——摩擦系数，η——传递效率

Mt=(Pt*s)/(2π*η*i)×10ˉ2 （1-6）

Mt——切削力折算至电机力矩（N.m)， Pt——最大切削力（N）。

（4） 负载起动频率估算

数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为：

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

式中fq——带载起动频率（Hz），fq0——空载起动频率，Ml——起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)，若负载参数无法精确确定，则可按fq=1/2fq0进行估算。

（5） 运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。

（6） 负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2～0.4)Mmax.

六、步进电机及驱动器的选用

1.首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度既是负载力矩。或者根据负载特性从理论上计算出来。由于步进电机是控制类电机，所以目前常用步进电机的最大力矩不超过45Nm，力矩越大， 成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置。

2.确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如:驱动器的驱动电压、电机的相電流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：驱动电压越高，力矩下降越慢；电机的相电流越大，力矩下降越慢。在设计方案时，应使电机的转速控制在1500转/分或1000转/分，当然这样说很不规范，可以参考“矩-频特性”。

3.根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标，再参考“矩-频特性”，就可以选择出适合自己的步进电机。如果您认为自己选出的电机太大，可以考虑加配减速装置，这样可以节约成本，也可以使您的设计更灵活。要选择好合适的减速比，要综合考虑力矩和速度的关系，选择出最佳方案。

4.最后还要考虑留有一定的（如30%）力矩余量和转速余量。

5.可以先选择混合式步进电机，如果由于价格因素，可以选取反应式步进电机。

6.尽量选取细分驱动器，且使驱动器工作在细分状态。

7.选取时且勿走入只看电机力矩这一个指标的误区，也就是说并非电机的扭矩越大越好，要和速度指标一起考虑。

8.超小型驱动器和微型驱动器是靠外壳作为散热器的，应固定在较大、较厚的金属板上或外加风机散热，如果没有散热条件，而驱动器又工作在转速较低的场合（这时驱动器发热较大），可以选用带风机的90型驱动器代替。

9.三种系列的步进电机：uBYG通用系列，为圆形混合式电机.目前市场上应用较广；vHS高扭矩系列，为方形混合式电机。其做工精细，体积小，输出力矩大，和BYG系列相比，相同扭矩时其体积约为BYG系列的一半；wBF/BC反应式系列，此系列在几年前应用最为广泛（约占市场的90%），随着混合式电机价格的下降，其反应式电机的使用率越来越小。

七、结语

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在国民经济领域都有较大应用。

【参考文献】

[1]石学军．步进电机原理使用说明．www.51c51.com

[2]赵奉先．提高步进电机运行速度的研究[J]．使用与维护，2000，(02)．

【作者简介】谭新元(1969－)，男，岳阳职业技术学院机电工程系讲师，研究方向：电气控制。