焦偉

摘 要：步進(jìn)電動機(jī)通常被用作定位控制和定速控制，不超載時(shí)，它的停止方向和轉(zhuǎn)速的情況由脈沖數(shù)目以及頻率決定，其中存在著線性的關(guān)系，所以在控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。它實(shí)質(zhì)上是一種變磁阻式、將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該文重點(diǎn)介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)、步進(jìn)電機(jī)的選型方法，希望對廣大讀者有所幫助。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 選擇 使用

中圖分類號：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0256-01

步進(jìn)電動機(jī)通常被用作定位控制和定速控制，不超載時(shí)，它的停止方向和轉(zhuǎn)速的情況由脈沖數(shù)目以及頻率決定，其中存在著線性的關(guān)系，所以在控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

1 工作原理

它是一種變磁阻式、將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，首先步進(jìn)驅(qū)動器會收到脈沖信號，電機(jī)會隨之轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步距角），旋轉(zhuǎn)方向是設(shè)定好的。正是由于旋轉(zhuǎn)方向和角度的固定，所以脈沖信號對轉(zhuǎn)過的角度有直接控制作用，從而保證定位的精確；同時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度都可以由脈沖信號的頻率來控制，從而實(shí)現(xiàn)對速度的控制。輸入脈沖信號總數(shù)與電機(jī)總回轉(zhuǎn)角度成正比，其頻率也決定了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電動機(jī)主要用于一些有定位要求的場合。例如：自動上下料轉(zhuǎn)臺、機(jī)器人滑臺等。步動電動機(jī)有多種勵磁方式，如永磁式、反應(yīng)式和混合式（又叫感應(yīng)子式），另外，相數(shù)方面也有多種，如單相、兩相、三相和多相等。

2 主要特點(diǎn)

（1）通常電機(jī)精度是步進(jìn)角的3～5%，且不累積。

（2）步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。

（3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，因此步進(jìn)電機(jī)難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩。

（4）電機(jī)的響應(yīng)通過輸入脈沖來確定，為簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)和降低成本，常采用開環(huán)控制。

3 如何選擇

第一，要考慮根據(jù)負(fù)載所需要的功率來選擇步進(jìn)電機(jī)，保證電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。因此，計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是首要步驟。具體分為三種情況，摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載通常在電機(jī)直接起動時(shí)都要考慮；慣性負(fù)載則在加速起動時(shí)要著重考慮；摩擦負(fù)載在恒速運(yùn)行時(shí)要予以考慮。具體應(yīng)用過程中，步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩一般為摩擦負(fù)載的2～3倍，要確定電機(jī)的電子座及長度，只要將靜轉(zhuǎn)矩確定下來即可（如圖1）。

第二，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)需求相一致。系統(tǒng)負(fù)載所要求的最小分辨率是可以換算到電機(jī)軸上的，具體就是此時(shí)電機(jī)應(yīng)走過的角度，步進(jìn)電機(jī)的步距角應(yīng)不大于該角度。一般情況下，步進(jìn)電機(jī)的步距角有1.5°/3°（三相）、0.36°/0.72°（五相）等。

第三，要特別重視電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比：電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩較大，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩就很小了。具體工況下要求高速電機(jī)時(shí)，必須對電動機(jī)的線圈電阻、電感等加以測量。通常，要獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩，需選擇電感稍小的電機(jī)做高速電機(jī)。反之，則最好選擇電感在十幾或幾十mH，電阻大一些的電機(jī)。

第四，根據(jù)計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，對照步進(jìn)電機(jī)的矩頻曲線圖，確認(rèn)選擇步進(jìn)電機(jī)是否合理。

下面給出的是一個步進(jìn)電機(jī)選型的計(jì)算示例，可以更好地理解電機(jī)選型的計(jì)算方法（如圖2）。

圖2中所示的是一種典型的由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲杠滑臺，已知絲杠直徑=20mm，導(dǎo)程=5mm，絲杠長=0.5m，負(fù)載M=10kg，聯(lián)軸器重量=0.1kg，直徑=40mm，機(jī)械效率η=0.9，摩擦系數(shù)μ=0.1；往復(fù)運(yùn)動速度=3.6m/min，定位時(shí)間t=1s，加減速時(shí)間占比=0.1s。根據(jù)條件，初選某型號電機(jī)靜力矩T=1.5N·m，電機(jī)慣量=0.001kg·m2。

則（1）負(fù)載力矩0.017N·m（如圖3）；

（2）總負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量JM++kg·m2；

（3） 啟動轉(zhuǎn)矩==0.45N·m；

其中電機(jī)轉(zhuǎn)速n==360rpm；

（4）必須轉(zhuǎn)矩=2×（+）=0.93N·m

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對照步進(jìn)電機(jī)的矩頻曲線圖，選擇步進(jìn)電機(jī)合理。

參考文獻(xiàn)

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