步进电动机系统的选择方法

1概述

在工业生产设备中，使用着各类能量变化的动力机械。根据媒体的不同，目前常用的有电气式驱动元件、油压式元件、气压式元件、水压式元件，以及上述元件的各类组合。

目前，随着材料、计算机及功率电子学等学科的发展，纯电气驱动元件的使用日益扩大，尤其在民品等产业机械中，几乎都是使用电气式驱动元件。

在工业实时控制中，对电气驱动元件的要求越来越高。如，要求良好的速度控制特性、精确的位置控制、大转矩、高效率等。因而，各类电机都在朝着机电一体化方向发展。使用上也更加注重其实用性。除传统的直流电动机、感应电动机、同步电动机以外，直流伺服电动机、感应式交流伺服电动机、同步结构交流伺服电动机、步进电动机以及各类特种电动机的品种也越来越多，性能亦在不断发展。

由于电机特性、使用条件等因素的不同，如何根据负载条件，选择合适的电动机，从而使所设计的系统能工作在较理想的状态，是广大工程技术人员比较关心的问题。我们根据多年的实际工作经验及汇集相关的技术资料，给出主要类型电气传动元件，即电动机的选择方法，希望对电机技术工作者及使用者有所帮助。

2步进电动机的选择方法

由于可以开环方式控制而无需反馈，具有无累积定位误差、能响应数字输入信号等优点，广泛用于工业自动化(FA)、办公自动化(OA)、计算机终端和外设等领域。步进电动机系统是典型的机电一体化系统，选择时需考虑机械、电磁等众多因素。如步距角、负载转矩、负载惯量、运行速度、加减速时间等。尤其是负载惯量直接影响步进电动机的起动频率和加速转矩，因而必须予以充分注意。

2．1 步进电动机的基本计算式及主要技术指标

2．1．1步进电动机的运动方程

选择步进电动机的基本计算式是以步进电动机的运动方程为基础的。步进电动机的运动方程为：

式中J e——负载惯量，kg·m2

J m——转子惯量，kg·m2

μ——动粘性摩擦系数，Nm·s／rad

T e——负载转矩，Nm

T m——电机电磁转矩，Nm

ω——角速度，rad／s

g——重力加速度

在忽略μω的条件下：

式中f——驱动频率，脉冲／s

Q s——步距角，(o)

若如图1所示，作直线加减速时：

2．1．2主要技术指标

(1)最大静转矩T jmax

最大静转矩是指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。绕组电流越大，最大静转矩也越大。通常技术数据中所规定的最大静转矩是指每相绕组通上额定电流时所得的值。

(2)步距角

每输入一个电脉冲信号转子转过的角度。

(3)矩频特性

矩频特性分起动矩频特性和运行矩频特性。起动矩频特性指在一定负载惯量下，起动频率随负载转矩变化的关系。起动频率是指步进电动机能够不失步起动的最高脉冲频率。运行矩频特性是指当电机带着一定

负载运行时，运行频率与负载转矩的关系。运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲连续上升而维持不失步的最高频率。

2．2选择要素

在选择步进电动机时，首先必须知道以下系统参数和指标。

(1)机械参数——主要指负载转矩T e和负载惯量J e。

(2)时间参数——如要求在多长时间(t1)加速到多少频率(f2)等。

(3)脉冲当量——每一脉冲步进电动机带动负载所转过的转角或移动的直线位移。

2．3求取所需电机指标及特性

2．3．1计算目标速度

目标速度是指电机完成加速运动、恒速运行时的速度。步进电动机的速度单位为脉冲／s，即

脉冲速度=6×转速/步距角(脉冲／s)

2．3．2求运行转矩T

T=T e+T a

式中T e——负载转矩

T a——加速加矩

(1)求取负载转矩T e

此处的负载转矩是电动机起动时需克服的摩擦转矩，可由图2所示方法测出。

T e=轮径/2×弹簧称读数(Nm)

(2)求取加速转矩T a

加速转矩与惯量有关，步进电动机计算时，惯量J的单位常使用kg·m2，不同负载时的惯量计算方法如下：a．圆柱形物体惯量(见图3) J=1/8×重量×直径2(kg·m2)

b．环形物体的惯量(见图4)

J=1/8×重量×(外径2+内径。)(kg·m2)

c．皮带传动时的惯量(见图5)

J=皮带轮1的惯量+(D1/D2)2×皮带轮2的惯量+(皮带+工件）总重/4×D12(kg·m2)

d．丝杆传动时的惯量(见图6)

J=丝杠惯量+工件和工作台总重/4×（丝杆螺距/π）2

根据以上公式及方法求得惯量后，即可求取加速转矩。

运行时需要的转矩

T=T e+T a

2．4初选

2．4．1类型选择

反应式(VR)步进电动机在相绕组不通电时没有定位转矩。如果不通电，电动机的转轴可自由转动。另一方面，永磁(PM)步进电动机在相绕组不通电时则有较小的定位转矩。在有些情况下，系统电源断开允许负载处于自由位置，那么采用反应式电动机比较适合。有些系统要求在断电时负载必须保持在固定位置上，因而选择永磁电机是合理的。

2．4．2步距角选择

步距角大小会直接影响步进电机起动和运行频率，外形尺寸相同的电机，步距角小的往往起动、运行频率比较高，但转速和输出功率不一定高。使用时，可根据需要的脉冲当量和可能选择的传动比选择步进电动机的步距角。例如需15o的步进增量运动时，可有三种选择。

a．选用正好15o步距角的电机。

b．选用小于15o步距角的电机。

c．选用大于15o步距角的电机。

其中b种选择，电机的步距角应为15的约数。如，可以采用5o步距角的电动机走三步实现15o的运动。不过采用此种选择应注意它的优缺点：

优点：过冲量和振荡减小；摩擦力对位置误差的影响减小。

缺点：连续运行所要求的频率提高；控制成本较高。

当然，有些情况所要求的步距增量只能用几步实现。

c种选择是基于特殊驱动方式(如细分技术)的基础上的。它可以使得步进电动机的步距角大大缩小，一般用在小步距要求时。

a种为最常规选择。一般若系统无特殊要求，此种应是性能价格比最高的选择。

2．4．3最大静转矩的选择

选择步进电动机时，最主要的任务之一就是要详细规定电动机的标称转矩值。一般，最大静转矩较大的电机，可以带动较大的负载转矩。负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0．3～O．5。

即T L=(O．3～0．5)T jmax

按最大静转矩的值可以把步进电动机分为伺服步进电动机和功率步进电动机。前者输出力矩较小，有时需要经过液压力矩放大器或伺服功率放大系统放大后再去带动负载。而功率步进电动机的最大静转矩一般大于0．05Nm。它不需要力矩放大装置就能直接带动负载运动。这不仅大大简化了系统，而且提高了传动精度。

2．4．4矩频特性

电动机的性能在很大程度上不仅仅取决于矩角特性的形状，而且取决于矩频特性。首先需要根据前面计算出的脉冲速度和运行需要的转矩，作出速度一转矩曲线。将该曲线与步进电动机生产厂家的矩频特性曲线