浅析步进电机的选择与使用

焦伟

摘 要：步进电动机通常被用作定位控制和定速控制，不超载时，它的停止方向和转速的情况由脉冲数目以及频率决定，其中存在着线性的关系，所以在控制領域应用十分广泛。它实质上是一种变磁阻式、将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。该文重点介绍了步进电机的特点、步进电机的选型方法，希望对广大读者有所帮助。

关键词：步进电机 选择 使用

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0256-01

步进电动机通常被用作定位控制和定速控制，不超载时，它的停止方向和转速的情况由脉冲数目以及频率决定，其中存在着线性的关系，所以在控制领域应用十分广泛。

1 工作原理

它是一种变磁阻式、将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。工作时，首先步进驱动器会收到脉冲信号，电机会随之转动一个固定的角度（即步距角），旋转方向是设定好的。正是由于旋转方向和角度的固定，所以脉冲信号对转过的角度有直接控制作用，从而保证定位的精确；同时步进电机转动的速度和加速度都可以由脉冲信号的频率来控制，从而实现对速度的控制。输入脉冲信号总数与电机总回转角度成正比，其频率也决定了相应的转速。步进电动机主要用于一些有定位要求的场合。例如：自动上下料转台、机器人滑台等。步动电动机有多种励磁方式，如永磁式、反应式和混合式（又叫感应子式），另外，相数方面也有多种，如单相、两相、三相和多相等。

2 主要特点

（1）通常电机精度是步进角的3～5%，且不累积。

（2）步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。

（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降，因此步进电机难以获得较大的转矩。

（4）电机的响应通过输入脉冲来确定，为简化电机结构和降低成本，常采用开环控制。

3 如何选择

第一，要考虑根据负载所需要的功率来选择步进电机，保证电机的输出功率大于负载所需的功率。因此，计算机械系统的负载转矩是首要步骤。具体分为三种情况，摩擦负载和惯性负载通常在电机直接起动时都要考虑；惯性负载则在加速起动时要着重考虑；摩擦负载在恒速运行时要予以考虑。具体应用过程中，步进电机的静转矩一般为摩擦负载的2～3倍，要确定电机的电子座及长度，只要将静转矩确定下来即可（如图1）。

第二，应使步距角和机械系统需求相一致。系统负载所要求的最小分辨率是可以换算到电机轴上的，具体就是此时电机应走过的角度，步进电机的步距角应不大于该角度。一般情况下，步进电机的步距角有1.5°/3°（三相）、0.36°/0.72°（五相）等。

第三，要特别重视电机的转速。电机的输出转矩与转速成反比：电机低速运转时，输出转矩较大，在高速运转时转矩就很小了。具体工况下要求高速电机时，必须对电动机的线圈电阻、电感等加以测量。通常，要获得较大的输出转矩，需选择电感稍小的电机做高速电机。反之，则最好选择电感在十几或几十mH，电阻大一些的电机。

第四，根据计算出的转矩和转速，对照步进电机的矩频曲线图，确认选择步进电机是否合理。

下面给出的是一个步进电机选型的计算示例，可以更好地理解电机选型的计算方法（如图2）。

图2中所示的是一种典型的由步进电机驱动的滚珠丝杠滑台，已知丝杠直径=20mm，导程=5mm，丝杠长=0.5m，负载M=10kg，联轴器重量=0.1kg，直径=40mm，机械效率η=0.9，摩擦系数μ=0.1；往复运动速度=3.6m/min，定位时间t=1s，加减速时间占比=0.1s。根据条件，初选某型号电机静力矩T=1.5N·m，电机惯量=0.001kg·m2。

则（1）负载力矩0.017N·m（如图3）；

（2）总负荷转动惯量JM++kg·m2；

（3） 启动转矩==0.45N·m；

其中电机转速n==360rpm；

（4）必须转矩=2×（+）=0.93N·m

根据计算结果，对照步进电机的矩频曲线图，选择步进电机合理。

参考文献

[1] 赵先仲.机电一体化系统[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 汪诤.机电一体化技术[M].北京：国防科技大学出版社，2009.

[3] 许晓峰.电机及拖动[M].北京：高等教育出版社，2007.