浅谈步进电机技术

【摘　要】本文介绍了步进电机电机的特点、选择方法及对其常见问题的分析。

【关键词】步进电机；特点；选择；常见问题

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。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机设备、复印机、传真机等。 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，在各个国民经济领域都有应用。

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。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，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。混合式步进电机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。

1.步进电机的一些特点

（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

（2）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。

（3）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。

（4）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）。

2.步进电机的选择

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。

选择步进电机需要计算的内容包括：

（1）齿轮的减速比。

（2）工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。

（3）电机输出的总力矩M。

（4）负载起动频率（估算）。

（5）运行的最高频率与升速时间。

（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。

3.步进电机的一些常见问题

3.1步进电动机的失步

原因一：转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也即是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法令转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。并且凡是比这时频率高的工作频率都必将失步。这种失步说明了步进电机的拖动能力不够。一旦减少负载，或者提高绕组的激磁电流，则有可能克服失步。

原因二：转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度。这时定子通电激磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡。当振荡足够严重时就导致失步。

3.2如何让电机保持转矩

保持转矩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。

3.3步进电动机振荡的原因

原因一：振荡是步进电机在工作时存在的一般现象，但严重的振荡会引起失步。振荡的原因有多种，其中主要的原因有步进电机处于低频单步运行;步进电机的换相频率和转子的特征频率、倍特征频率、分数特征频率相等;步进电机突然停车等情况。

原因二：当步进电机进行单步旋转时，其工作频率必定处于低频区。在开始工作时，转子在磁场力矩的作用下加速转动，当转子转到新的平衡点时其速度仍然相当高，从而冲过了平衡稳定点产生过冲。车子一方面向前过冲，当转子速度减到为零时，由于磁场拉力矩的作用则反向冲向平衡点，又形成反向过冲。由于机械磨擦力矩及电磁力矩的作用。形成一个衰减振动过程。最后，转子则稳定停在平衡点。

实际应用中对步进电机有哪些要求：

（1）步进电机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节。

（2）加工精度高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。这就要求步进电机步距小，步距精度高，不得丢步或是过冲。

（3）动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高速运转以提高劳动生产率。

（4）输出转矩大，可直接带动负载。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。　[科]