步进电机常识与选型计算.docx
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步进电机常识与选型计算
步进电机常识与选型计算
1、什么是步进电机
1.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
2.步进电机分哪几种
步进电机分三种:
永磁式（PM）,反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相,
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.在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混
合式步进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.
3.什么是保持转矩（HOLDINGTORQUE）
保持转矩（HOLDINGTORQUE）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.
4.什么是DETENTTORQUE
DETENTTORQUE是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩.
DETENTTORQUE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DETENTTORQUE.
5.步进电机精度为多少是否累积
一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积.
6.步进电机的外表温度允许达到多少
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.
7.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.
8.为什么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）.
9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声
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.
10.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.
11.四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.
12.如何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.
13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用
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.
14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向
只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可.
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。
二、怎样选择步进电机
决定驱动机构：
首先决定驱动机构。
代表性的驱动机构有简单的旋转体，以及滚珠螺杆、皮带轮、齿条·齿轮等。
因此，这时必须预先决定搬运物的质量、各部位的尺寸、滑动面的摩擦系数等。
确认所要求的规格（设备的规格）:
若为移动速度及驱动时间、定位运行时，则必须确认定位距离与定位时间等的驱动条件，并且要确认停止精度、分辨率、位置保持、使用电压、使用环境等。
计算负载：
计算电动机驱动轴上的负载转矩及负载惯性惯量,代表机构上的负载转矩的计算一下参考。
选择电动机机种：
请依照需要的规格自AC小型标准电动机、无刷直流电动机、步进电动机中选择最适合的机种。
选用计算：
从机械强度、加速时间、加速转矩等各方面再次确认电动机／减速机的规格是否符合所有要求规格，然后决定电动机。
每一个电动机机种要确认的项目都不一样，请确定以下公式
1、不同驱动机构的负载转矩的计算公式
滚珠丝杠驱动
滑轮驱动
金属线·皮带驱动 齿条·齿轮驱动
实测计算方法
F ＝轴方向负载[N]
F0＝预负载[N]（≒1/3F）
μ0＝预压螺帽的内部摩擦系数（0.1～0.3）
η＝效率（0.85～0.95）
i ＝减速比（机构的减速比，不是本公司减速机的减速比）
PB＝滚珠螺杆螺距[m/rev]FA＝外力[N]
FB＝主轴开始运转时的力量[N]
（FB＝[弹簧秤值]（kg）×g[m/s2]）
m＝工作物与工作台的总质量[kg]
μ＝滑动面的摩擦系数（0.05）
α＝倾斜角度[°]
D ＝终段滑轮直径[m]
g ＝重力加速度[m/s2]（9.807）
惯量的计算方式
圆柱体惯量计算
中空圆柱体的惯性惯量
不通过重心的轴的惯性惯量
棱柱体的惯性惯量
直线运动物体的惯性惯量
2、电机的选用计算公式
运行模式运行模式有下图二种。
通常是以左边的加减速运行模式为一般的情形，转速低速、负载惯性惯量小时，可以采取右图的自起动运行。
工作脉冲数A的计算公式
工作脉冲数是以脉冲信号来表示将工作物由A点移至B点时，电动机必需转动的角度。
运行脉冲速度f2的计算公式
运行脉冲速度可通过工作脉冲数与定位时间及加减速时间进行计算
加减速运行时加减速时间的长短是选用时的重点，但是除此之外还必须考虑加速转矩及加减速常数的平衡，所以不能轻易决定。
因此，开始计算时，设定定位时间的25%左右为标准来进行计算的（最后必须调整）。
加减速常数TR的计算公式
表示脉冲速度的加速程度，以下述公式计算
运行脉冲速度至运行速度的换算公式
加速转矩的计算公式
不论电动机种类为何，速度变化时，加速及减速转矩都是不可缺少的要素。
每一种电动机的基本公式都是一样的，但是步进电动机多数是根据脉冲速度考虑的，公式如下述，与其它电动机不同。
2、选型案例
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