忘语新书魔天记笔趣阁:步进电机基本知识

        步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。您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；同时您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。

 步进电机的“保持转矩”和“定位转矩”有何不同

保持转矩是指电机各相绕组通电额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转矩，是电机选型时最重要的参数之一。定位转矩是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，  由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转矩。一般定位转矩远小于保持转矩。

什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）

　　保持转矩（HOLDING TORQUE）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。

什么是启动转矩（DETENT TORQUE）

　　DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

为什么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。

为什么步进电机高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫

　　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）。

如何克服两相混合式步进电机的振动和噪声

　　步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：　　A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；　　B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；　　C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；　　D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；　　E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

细分驱动器的细分数是否能代表精度

　　步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。

串联接法和并联接法有什么区别

　　四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?　　四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。

如何确定步进电机驱动器的直流供电电源

　　A.电压的确定　　混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。　　B.电流的确定　　供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE使用

　　当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

如何调整两相步进电机通电转动方向

　　只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。 步进电机的选用计算方法：         步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。        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*。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。
选择步进电机需要进行以下计算： 
   （1）计算齿轮的减速比 
            根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下: 
            i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1) 式中φ ---步进电机的步距角（o/脉冲）
            S ---丝杆螺距（mm) 
            Δ---(mm/脉冲） 
   （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。
           Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2） 式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) 
           J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2) 
           Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s2) W---工作台重量（N）
           S -----丝杆螺距（cm）
   （3）计算电机输出的总力矩M 
            M=Ma+Mf+Mt （1-3） 
            Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 （1-4）式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m) 
            Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) 
            n---电机所需达到的转速（r/min）
            T---电机升速时间（s） 
            Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-5） 
            Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) 
            u---摩擦系数 
            η---传递效率 
            Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-6） 
            Mt---切削力折算至电机力矩（N.m) 
            Pt---最大切削力（N） 
   （4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为
            fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7）式中fq---带载起动频率（Hz）
            fq0---空载起动频率 
            Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 
            若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算. 
   （5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。
   （6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～0.4)Mmax.