步进电动机在装备制造业中的应用经验

黄捷建，王 军，肖哲之

(深圳市雷赛智能控制股份有限公司，广东深圳518052)

0 引 言

步进电动机不使用反馈装置就可以进行速度控制及定位控制(即开环控制)，所以这种驱动方案既经济又可靠。在装备制造业的设备、仪器中，步进驱动已经得到了非常广泛的应用。但很多用户技术人员对如何选用适宜步进电动机，如何使步进驱动性能最佳发挥还是有较多疑问。本文论述了步进电动机的选型方法，重点介绍一些步进电动机工程应用经验，以推动步进电动机在装备制造业的更广泛普及。

1 步进电动机的选型

1.1 步进电动机简介

步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定的角度，励磁状态不变时则保持一定位置静止［1］。由此，步进电动机可以将输入的脉冲信号转化为对应的角位移进行输出。通过控制输入脉冲的数量可以准确确定输出的角位移以实现定位的功能;而通过控制输入脉冲的频率可以准确控制输出的角速度而达到调速的目的。因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电动机。20世纪60年代后期，各种实用性步进电动机应运而生且发展较快。步进电动机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，成为电动机的一种基本类型。我国自20世纪80年代中期以来，对步进电动机的精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器已经在各行业得到广泛应用。步进电动机有反应式(VR型)、永磁式(PM型)、混合式(HB型)三种类型。混合式步进电动机综合了前两种形式步进电动机的优点，目前国内的装备制造业中所用步进电动机基本都是混合式步进电动机。本文以下介绍的步进电动机均指混合式步进电动机。

图1 步进电动机结构示意图

步进电动机结构如图1所示。如步进电动机由转子(转子铁心、永磁体、转轴、滚珠轴承)，定子(绕组、定子铁心)，前后端盖等组成。典型的两相混合式步进电动机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿;三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。

步进电动机无法直接连通电源工作，也无法直接接收电脉冲信号，它必须通过特殊的接口，即步进电动机驱动器来实现和电源、控制器的交互。步进电动机驱动器如图2所示，一般由环形分配器及功率放大电路组成。环形分配器接收来自控制器的控制信号。每接收到一个脉冲信号环形分配器的输出就会转换一次，因此，脉冲信号的有无和频率就可以决定步进电动机转速的高低、加速还是减速、起动还是停止。环形分配器还必须监测控制器的方向信号，从而决定其输出状态的转换是正序或反序，从而确定步进电动机的转向。

图2 步进电动机控制原理图

1.2 步进电动机的主要参数

(1)机座号:主要有35、39、42、57、86、110 等。

(2)相数:步进电动机内部的线圈数，步进电动机相数一般有二相、三相、五相。中国使用的步进电动机以二相为主，三相也有部分应用。日本则较多用五相步进电动机。

(3)步距角:对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。步进电动机的步距角计算公式如下:

式中:θb为步进电动机步距角;m为步进电动机相数;zr为步进电动机转子齿数。

按照以上计算公式，二相、三相、五相步进电动机的步距角分别是 1.8°、1.2°和 0.72°。

(4)保持转矩:是指电机定子绕组通额定电流，但转子没有转动时，定子锁住转子的转矩。保持转矩是步进电动机的最重要参数，是电机选型的主要依据。

(5)定位转矩:是指电机没有通电流的情况下，用外力转动转子所需要的扭矩。该转矩是评价电机性能指标之一，在其它参数相同的情况下，定位转矩越小表示“齿槽效应”越小，对电机低速运行的平稳性越有利。

(6)矩频特性:主要指牵出矩频特性，电机稳定运行在某一转速时所能够承受不失步的最大转矩。矩频曲线用来描述不失步的最大转矩与转速(频率)的关系。矩频曲线是步进电动机的重要参数，是电机的选型主要依据之一。

(7)额定电流:保持额定转矩，所需要的电机绕组电流有效值。

1.3 步进电动机的选型

工业应用中所用步进电动机速度高达600～1 500 r/min，更高转速，建议选用伺服驱动方案较合适。步进电动机选型步骤如图3所示。

图3 步进电动机选型步骤

(1)步距角的选择

如上所述，按照电机相数不同，有三种步距角:1.8°(二相)、1.2°(三相)、0.72°(五相)。当然五相的步距角精度最高，但其电机及驱动器价格较昂贵，所以国内极少采用。再加上现在的主流步进驱动器都采用了细分驱动技术，在4细分以下，细分步距角精度还是可以保证的，所以如果单独从步距角精度的指标考虑，五相步进电动机可以由二相或三相步进电动机取代。

例如，在某种导程为5 mm的丝杆负载应用中，如果采用二相步进电动机，驱动器设置在8细分，则电机每转的脉冲数为200×4=800个，脉冲当量为5 ÷800=0.006 25 mm=6.25 μm，此精度可以满足大部分应用要求。

(2)静转矩(保持转矩)选择

常用负载传动机构有同步带、丝杆、齿轮齿条等，客户需首先计算其机器负载(主要是加速转矩加上摩擦转矩)折算到电机轴上所需负载转矩。然后按照电机所需最高运行速度，分以下两种不同使用情况，选用合适保持转矩的步进电动机。

①对所需电机速度为300 r/min以下的应用:如机器负载折算到电机轴上所需负载转矩为T1，则此负载转矩再乘以一个安全系数SF(一般取1.5～2.0)，即得到所需步进电动机的保持转矩Tn。

②对所需电机速度为300 r/min以上的应用:设最高转速nmax，如机器负载折算到电机轴上所需负载转矩为T1，则此负载转矩再乘以安全系数SF(一般取2.5 ～3.5)，即得到保持转矩 Tn。参考表1，初选一种合适型号。然后再利用矩频曲线进行查验对比:在矩频曲线上，用户所需的最高转速nmax，对应此最高速度的最大失步转矩为T2，则此最大失步转矩T2需比T1大20%以上。否则，需重新选定保持转矩大一个规格的电机，按照新选电机的矩频曲线重新查验对比。

(3)电机机座号选择:电机机座越大，其保持转矩越大。步进电动机的常见机座号及保持转矩范围，如表1所示。

表1 步进电动机的常见机座号及其保持转矩

按照步骤(2)中计算得到的保持转矩Tn，从图4中选择适宜的机座号及相应电机具体规格。

(4)按照额定电流来选定配套步进驱动器，例如，某电机57HSS22的额定电流为5 A(并联接法)，则选配的驱动器的允许最大电流需5 A以上(请注意是有效值而不是峰值)，否则如果选了一款最大电流仅3 A的驱动器，则电机的最大输出转矩仅能60%左右。

2 步进电动机的应用经验

2.1 步进电动机驱动器的电压等级决定其力能指标

式中:T为转矩;KT为转矩常数;I为绕组电流。

以上三个公式可以解释为何步进电动机的转矩随着电机转速的增大而降低:随着电机转速n的上升，反电动势E越来越大;在U一定的条件下，E的增大导致能够产生的绕组电流越来越小;所以能够产生的转矩也越来越小。

图4是某电机在驱动器不同供电电压情况下的矩频曲线对比。由图4可知，步进驱动器的供电电压对电机的高速性能有较大影响。

图4 某电机在不同电压情况下的矩频曲线

供电电压为48 V时，随着电机转速的上升，电机能输出的最大转矩在明显变小，例如在120 r/min时，失步转矩为6.2 N·m，但在速度高到600 r/min时，失步转矩仅剩1.6 N·m。

两组曲线对比可知，在低速运行时，不同供电电压(68 V与48 V)条件下，能产生转矩基本一样;但速度在120 r/min以上，68 V供电能产生的转矩明显比48 V供电高。因此如需要步进电动机速度较高时，仍要求较大转矩，需为驱动器选用尽可能高的电压。

步进电动机出厂时会给出步进电动机的额定电压，此电压其实就是电机的额定电流与电机绕组电阻的乘积。一般的应用经验是输入电压一般选定在步进电动机额定电压的3～25倍。

步进电动机一定时，供电电压越高，步进电动机在中高速能产生的力矩越大，越有利于需要高速应用的场合，但电机的发热随着电压、电流的增加而加大，所以要注意步进电动机的温升限值。

2.2 步进电动机驱动器的电流设定

对某种步进电动机，在低速运行时，其失步转矩随着绕组电流的增大接近成正比，这个与永磁同步电机一样。但是随着转速的上升，由以上分析可知，通过电机绕组的实际电流已经在明显降低，所以在速度较高时，为驱动器设定较大的电流并不能提高电机的高速性能，而且会导致电机温度太高，所以电机驱动器电流值一般设定在额定电流的70%～100%。

57HS22电机在驱动器峰值电流设定在5.6 A时，不同转速的绕组电流波形如图5、图6所示。

图5 57HS22电机在1 r/s时的绕组电流波形

图6 57HS22电机在15 r/s时的绕组电流波形

从图5、图6的比较可知:在低速时，电机绕组电流波形是标准的正弦波，幅值为5.6 A左右。但随着转速的增加，电流波形明显偏离正弦波，而且幅值降低很快，15 r/s时，电流幅值降低到2 A以下。

2.3 如何降低步进电动机运行时的壳体温度

电机的损耗主要是铁耗和铜耗。

铁心损耗PFe:电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。铁耗随着磁密的增大及电流的频率增大而增大。对相同速度的步进电动机和交流伺服电机(以8极伺服电机为例)，前者的电流频率是后者的12.5倍，因此前者的铁耗比后者大很多。

综合以上两个方面的分析可知，步进电动机的损耗远高于伺服电机的损耗，步进电动机的效率远低于伺服电机的效率。其最直接的结果就是尺寸接近的两种电机，步进电动机的温升一般会远高于伺服电机的温升。例如，在工业应用中步进电动机的壳体温度达到80℃以上是很常见的，而伺服电机的壳体温度一般都在50℃以下。步进电动机一般为B级绝缘，小部分为F级绝缘，因此电机工作在壳体温度为90℃以内是正常的，不会影响电机性能。

降低步进电动机壳体温度办法:

(1)选用厚度较薄的定转子冲片。例如用冲片厚度为0.35 mm的步进电动机比厚度为0.5 mm的温升会低一些。

(2)为驱动器选用电压等级比较低的电源。我们曾经做过一个对比测试:57HS13步进电动机，驱动器供电电源分别为36 V和48 V，电机以2 r/s的速度空载连续运行，环境温度为28℃。然后测试各自的壳体稳态温度。结果表明前者的壳体稳态温度为47℃，后者的温度为58℃，区别非常明显(但要注意中高速力矩会变小)。

(3)适当降低驱动器的设定电流(但要注意中低速力矩会变小)。

(4)驱动器设定在半流状态。在电机停止后一定时间内(如几百毫秒)驱动器自动把绕组电流减半，电机停止时铜耗降低为全流时的1/4。

2.4 步进电动机的不同接线方式对性能的影响

常见的二相步进电动机有三种引出线:4引出线、6引出线、8引出线。工程师对4引出线步进电动机的使用很熟悉。下面重点介绍单极性驱动、双极性驱动以及6引出线、8引出线步进电动机的使用方法。

单极性驱动原理如图7所示。早期的步进电动机多为单极性驱动，优点是驱动电路较简单，驱动器成本较低，但其控制模式为每一相都由半绕组轮流通电，一半绕组没得到充分利用，电机的力能指标相应较小。

图7 单极性驱动原理图

双极性驱动如图8所示。目前步进电动机多为双极性驱动，优点是绕组得到充分利用，电机的力能指标较高。缺点是驱动器所需元件比单极性驱动多一些，但目前电子器件价格已较低，所以双极性动器与单极性驱动器成本已很接近。

图8 双极性驱动原理图

(1)6引出线步进电动机可采用以下三种驱动模式:单极性驱动、双极性驱动半绕组(高速模式)、双极性驱动全绕组(高力矩模式)。

(2)8引出线步进电动机可采用以下三种驱动模式:单极性驱动、双极性驱动并联接法、双极性驱动串联接法。

步进电动机不同的接线模式参如图9所示。不同的接线模式，驱动器的电流设置不同。很多电机厂的6线和8线电机的图纸仅给出单极性接法的额定电流，实际应用中，不同接法具体步进驱动器电流的设置方法如下:

4线电机:输出电流为电机额定电流值(实际应用为降低电机温度，略小于电机额定电流值)。

6线电机高速模式:输出电流为电机单极性接法额定电流的100%。

6线电机高力矩模式:输出电流为电机单极性接法额定电流的50%。

8线电机并联接法:输出电流为电机单极性接法额定电流的100%，高速性能好。

8线电机串联接法:输出电流为电机单极性接法额定电流的50%，低速力矩大。

图10是某8线电机在并联接法与串联接法的矩频曲线对比。

图10 步进电动机在并联接法与串联接法的矩频曲线对比

图10表明，串联接法的步进电动机，随着电机转速的提高，失步转矩急剧下降，在速度为3 r/s时，转矩已经下降到0.4 N·m(不到保持转矩的1/3)。因此，当电机所需的最高转速高于2 r/s时，建议用并联接法来保证电机有足够的输出转矩。装备制造业所用步进电动机绝大部分为并联接法。

2.5 三相步进电动机与二相步进电动机

与二相电机比较，三相电机的主要优点如下:(1)步距角小，分辨率更高，为二相步进电动机的1.5倍，能进行高精度定位。

(2)相同尺寸的电机，三相比二相步进电动机能产生更大的转矩，加速性能较好。

(3)两相步进电动机受到激磁电流的三次谐波影响，而三相步进电动机的三次谐波由三相步进电动机的构造抵消，所以与二相步进电动机相比，三相步进电动机的振动噪声较小。

(4)齿槽转矩比二相步进电动机小，所以三相步进电动机低速平稳性较好。

正因为三相步进电动机具有以上优点，价格仅比两相步进驱动的价格略高一点，所以近几年三相步进驱动呈现越来越快的增长势头。

2.6 步进电动机的低频共振问题

细分步进驱动器是降低步进电动机低频共振的有效方法。在150 r/min以下，细分驱动对降低电机振动效果是很明显的。理论上，细分越大，对降低步进电动机振动效果越好，但实际情况是，细分增大到8或16以后，对降低步进电动机振动的改善效果就已经达到极致了［2］。

近几年国外已有抗低频共振的步进驱动器上市，目前国内也有雷赛的DM、AM系列产品，采用了抗低频共振技术。该系列驱动器利用谐波补偿，通过幅值、相位的匹配补偿，可以极大程度地降低步进电动机低频振动，实现电机低振动低噪声运行。

2.7 步进电动机细分对定位精度的影响

步进电动机细分驱动电路不但可以提高装备运动的平稳性，而且可以有效地提高装备的定位精度。试验表明:在同步带传动的运动平台上，步进电动机4细分时，电机每步都可以准确定位。

3 结 语

本文从工程应用角度出发，给出步进电动机的选型方法，以及诸多步进电动机工程应用经验。可以帮助技术人员更好、更有效率地选择和使用步进电动机。对推动步进电动机在装备制造业的应用与普及有一定参考作用。

［1］ 程树康，刘宝廷.步进电动机及其驱动控制系统［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2007.

［2］ 李劲松，左力.步进电机细分数对运动平台性能影响的研究［J］.伺服与运动控制，2008(3):49-50.