步進電機基本原理

　　工作原理：

　　通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。

　　發(fā)熱原理：

　　通常見到的各類電機，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

　　步進電機工作效率如何

　　雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。

　　如何使步進電機的效率最大化

　　很多人在使用兩相步進電機時發(fā)現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)矩小，或達不到額定標稱的轉(zhuǎn)矩值，只好加大步進電機的尺寸和標稱電流，以滿足動力要求。其實有時并不是電機的問題，而是在步進電機選擇或驅(qū)動器工作電流的設(shè)定上有不妥之處，沒有發(fā)揮出步進電機的最大效率。

　　首先，從驅(qū)動器方面考慮，目前大多數(shù)兩相步進電機的驅(qū)動器是采用全橋輸出的四線接法，如果兩相步進電機也是四線的，驅(qū)動器按照電機的標稱電流設(shè)定，應(yīng)該說是正確的，而且效率最高，輸出轉(zhuǎn)矩能夠達到最大值，新型步進電機大多是這種形式的。

　　早期生產(chǎn)的步進電機，多是兩相六線制的（四組兩對串聯(lián)線圈，每對有中心抽頭），還有少量八線制的（四組兩對獨立線圈）。

　　是兩相六線制步進電機有兩種接法，第一種是舍棄中心抽頭接兩端，實際就是將每組的兩個相線圈串聯(lián)起來使用，電機堵轉(zhuǎn)矩大和效率高些，但是高速性能差。第二種是接中心抽頭和一端，這種接法電機高速性能好些，但是每相有一組線圈空閑，堵轉(zhuǎn)矩小和效率低些。目前大多是采用第一種接線方法。這就出現(xiàn)一個問題，兩相驅(qū)動器的電流到底應(yīng)該設(shè)置多大正確，一般還都是按電機標稱電流值來設(shè)定，這就出現(xiàn)了前面提到的電機效率問題。

　　一般步進電機標注的電流是相電流（或電阻），就是每組線圈的電流值（或電阻），如果兩相六線制步進電機采用第一種接法，相當(dāng)于將兩組線圈串聯(lián)起來，那么其每相電阻加大，額定工作電流減小，即使驅(qū)動器設(shè)置成標稱電流也達不到各相的額定輸出值。所以在選用驅(qū)動器和步進電機時要注意電流匹配問題，正確的方法是將驅(qū)動器的輸出電流設(shè)定為步進電機額定相電流的0.7倍（也不是通常認為串聯(lián)起來的電流減半）。舉例，比如一個帶中心抽頭的兩相步進電機，標稱電流是3A，驅(qū)動器電流應(yīng)該設(shè)定為3乘以0.7＝2.1A，盡管選了3A的步進電機，實際上它的功率相當(dāng)于兩相四線制的2.1A步進電機。

　　再談?wù)劙司€制的步進電機接法，也有兩種，第一種是將每兩組線圈串聯(lián)使用，這樣驅(qū)動器的電流也是設(shè)定為電機相電流的0.7倍，這種接法電機發(fā)熱量小，但是高轉(zhuǎn)速性能差些。第二種接法是將每兩組線圈并聯(lián)使用，驅(qū)動器的電流設(shè)定為電機相電流的1.4倍，其優(yōu)點是高轉(zhuǎn)速性能好些，但是電機發(fā)熱量大，但是步進電機有點溫度是正常的，只要低于電機的消磁溫度就行，一般步進電機的消磁溫度在105度左右。

　　在使用輸出電流已經(jīng)預(yù)設(shè)的步進電機驅(qū)動器（指兩相全橋輸出驅(qū)動器，如TB6560、A3977等高集成度驅(qū)動芯片）后，如何選用步進電機很重要，如果你的驅(qū)動器是2A的，盡量選用兩相四線制2A的電機，如果選用兩相六線制電機，就要選標稱相電流為2 / 0.7＝2.9A（大約）的電機。這樣才能使驅(qū)動器的效率最大化。

　　如果選用的驅(qū)動器是半橋輸出（如SLA7062M、SLA7026等驅(qū)動芯片）的，那只能接兩相六線制電機，驅(qū)動器的電流和電機標稱電流是一致的。不過這種驅(qū)動器目前很少用到，效率低。

　　對于六線和八線步進電機，采用相線圈并聯(lián)，可以發(fā)揮最大的輸出轉(zhuǎn)矩，表現(xiàn)出很好的動力性能，六線電機是無法接成并聯(lián)形式的，實際已經(jīng)在內(nèi)部串聯(lián)起來了，串聯(lián)的公共端是中心抽頭。只有八線電機的相線圈是可以并聯(lián)使用的。

　　如果能將電機后蓋打開，看一下里邊的接線結(jié)構(gòu)，是可以進行改動的，使六線電機變成八線電機，這樣就可以并聯(lián)使用了，但不是所有的六線電機都能改制，只有能從電機后面看到連線接頭形式的可以改動，有的電機是焊盤接頭，改制就需要一定的技術(shù)了。經(jīng)改制的步進電機，原來串聯(lián)的也可以并聯(lián)使用，并聯(lián)使用時相電流是原來的1.4倍，高速運轉(zhuǎn)性能大大提高，轉(zhuǎn)矩也提高不少。對于步進電機和驅(qū)動器的使用，應(yīng)該注意發(fā)揮其最佳效果，不必一味追求高價位和大電流，追求高速度，應(yīng)該認真計算一下機器的載荷，看看到底需要多大的轉(zhuǎn)矩和速度，否則即便驅(qū)動器和電機都選得很大，但是其效果并沒有發(fā)揮出來，速度也不應(yīng)追求過高，實際加工過程中，機器進刀量一般不大（受制于機械結(jié)構(gòu)、刀具及加工材料材質(zhì)），速度高了也用不上。

　　電機和驅(qū)動器做好匹配可以省錢省力，達到事半功倍的效果。

　　提高步進電機減速機工作效率的有效方法

　　在工業(yè)生產(chǎn)中除了質(zhì)量外，生產(chǎn)效率是最重要的，因為它直接影響著公司的利益，所以，提高設(shè)備工作效率是非常有必要的，下面是提高步進電機減速機工作效率的方法：

　　1、步進電機減速機加工精度提高到ISO5-6級；

　　2、使步進電機減速機結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理；

　　3、使得步進電機減速機的軸承質(zhì)量和壽命提高；

　　4、理論知識的日趨完善，更接近實際（如齒輪強度計算方法、修形技術(shù)、變形計算、優(yōu)化設(shè)計方法、齒根圓滑過渡、新結(jié)構(gòu)等）。

　　步進電機選型的步驟與方法

　　1、 步進電機轉(zhuǎn)矩的選擇步進電機的保持轉(zhuǎn)矩，近似于傳統(tǒng)電機所稱的“功率”。當(dāng)然，有著本質(zhì)的區(qū)別。步進電動機的物理結(jié)構(gòu)，完全不同于交流、直流電機，電機的輸出功率是可變的。通常根據(jù)需要的轉(zhuǎn)矩大小（即所要帶動物體的扭力大小），來選擇哪種型號的電機。大致說來，扭力在0.8N.m以下，選擇20、28、35、39、42（電機的機身直徑或方度，單位：mm）;扭力在1N.m左右的，選擇57電機較為合適。扭力在幾個N.m或更大的情況下，就要選擇86、110、130等規(guī)格的步進電機。

　　2、 步過電機轉(zhuǎn)速的選擇對于電機的轉(zhuǎn)速也要特別考慮。因為，電機的輸出轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速成反比。就是說，步進電機在低速（每分鐘幾百轉(zhuǎn)或更低轉(zhuǎn)速，其輸出轉(zhuǎn)矩較大），在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩（1000轉(zhuǎn)/分--9000轉(zhuǎn)）就很小了。當(dāng)然，有些工況環(huán)境需要高速電機，就要對步進電動機的線圈電阻、電感等指標進行衡量。選擇電感稍小一些的電機，作為高速電機，能夠獲得較大輸出轉(zhuǎn)矩。反之，要求低速大力矩的情況下，就要選擇電感在十幾或幾十mH，電阻也要大一些為好。

　　3、 步進電機空載起動頻率的選擇步進電機空載起動頻率，通常稱為“空起頻率”。這是選購電機比較重要的一項指標。如果要求在瞬間頻繁啟動、停止，并且，轉(zhuǎn)速在1000轉(zhuǎn)/分鐘左右（或更高），通常需要“加速啟動”。如果需要直接啟動達到高速運轉(zhuǎn)，最好選擇反應(yīng)式或永磁電機。這些電機的“空起頻率”都比較高。

　　4、 步進電機的相數(shù)選擇步進電機的相數(shù)選擇，這項內(nèi)容，很多客戶幾乎沒有什么重視，大多是隨便購買。其實，不同相數(shù)的電機，工作效果是不同的。相數(shù)越多，步距角就能夠做的比較小，工作時的振動就相對小一些。大多數(shù)場合，使用兩相電機比較多。在高速大力矩的工作環(huán)境，選擇三相步進電機是比較實用的。

　　5、 針對步進電機使用環(huán)境來選擇特種步進電機能夠防水、防油，用于某些特殊場合。例如水下機器人，就需要放水電機。對于特種用途的電機，就要針對性選擇了。

　　6、 根據(jù)您的實際情況可否需要特殊規(guī)格特殊規(guī)格的步進電機，請和我們溝通，在技術(shù)允許的范圍內(nèi)，加工訂貨。例如，出軸的直徑、長短、伸出方向等。

　　7、 如有必要最好與廠家的技術(shù)工程師進一步溝通與確認型號。