步進(jìn)電機(jī)基本原理

　　工作原理：

　　通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)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(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　發(fā)熱原理：

　　通常見到的各類電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會(huì)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(shuō)的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會(huì)產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)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(huì)以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。

　　步進(jìn)電機(jī)工作效率如何

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

　　如何使步進(jìn)電機(jī)的效率最大化

　　很多人在使用兩相步進(jìn)電機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩小，或達(dá)不到額定標(biāo)稱的轉(zhuǎn)矩值，只好加大步進(jìn)電機(jī)的尺寸和標(biāo)稱電流，以滿足動(dòng)力要求。其實(shí)有時(shí)并不是電機(jī)的問(wèn)題，而是在步進(jìn)電機(jī)選擇或驅(qū)動(dòng)器工作電流的設(shè)定上有不妥之處，沒有發(fā)揮出步進(jìn)電機(jī)的最大效率。

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

　　早期生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)，多是兩相六線制的（四組兩對(duì)串聯(lián)線圈，每對(duì)有中心抽頭），還有少量八線制的（四組兩對(duì)獨(dú)立線圈）。

　　是兩相六線制步進(jìn)電機(jī)有兩種接法，第一種是舍棄中心抽頭接兩端，實(shí)際就是將每組的兩個(gè)相線圈串聯(lián)起來(lái)使用，電機(jī)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(jī)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(gè)問(wèn)題，兩相驅(qū)動(dòng)器的電流到底應(yīng)該設(shè)置多大正確，一般還都是按電機(jī)標(biāo)稱電流值來(lái)設(shè)定，這就出現(xiàn)了前面提到的電機(jī)效率問(wèn)題。

　　一般步進(jìn)電機(jī)標(biāo)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(jìn)電機(jī)采用第一種接法，相當(dāng)于將兩組線圈串聯(lián)起來(lái)，那么其每相電阻加大，額定工作電流減小，即使驅(qū)動(dòng)器設(shè)置成標(biāo)稱電流也達(dá)不到各相的額定輸出值。所以在選用驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)時(shí)要注意電流匹配問(wèn)題，正確的方法是將驅(qū)動(dòng)器的輸出電流設(shè)定為步進(jìn)電機(jī)額定相電流的0.7倍（也不是通常認(rèn)為串聯(lián)起來(lái)的電流減半）。舉例，比如一個(gè)帶中心抽頭的兩相步進(jìn)電機(jī)，標(biāo)稱電流是3A，驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)，實(shí)際上它的功率相當(dāng)于兩相四線制的2.1A步進(jìn)電機(jī)。

　　再談?wù)劙司€制的步進(jìn)電機(jī)接法，也有兩種，第一種是將每?jī)山M線圈串聯(lián)使用，這樣驅(qū)動(dòng)器的電流也是設(shè)定為電機(jī)相電流的0.7倍，這種接法電機(jī)發(fā)熱量小，但是高轉(zhuǎn)速性能差些。第二種接法是將每?jī)山M線圈并聯(lián)使用，驅(qū)動(dòng)器的電流設(shè)定為電機(jī)相電流的1.4倍，其優(yōu)點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速性能好些，但是電機(jī)發(fā)熱量大，但是步進(jìn)電機(jī)有點(diǎn)溫度是正常的，只要低于電機(jī)的消磁溫度就行，一般步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（指兩相全橋輸出驅(qū)動(dòng)器，如TB6560、A3977等高集成度驅(qū)動(dòng)芯片）后，如何選用步進(jìn)電機(jī)很重要，如果你的驅(qū)動(dòng)器是2A的，盡量選用兩相四線制2A的電機(jī)，如果選用兩相六線制電機(jī)，就要選標(biāo)稱相電流為2 / 0.7＝2.9A（大約）的電機(jī)。這樣才能使驅(qū)動(dòng)器的效率最大化。

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

　　對(duì)于六線和八線步進(jìn)電機(jī)，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(dòng)力性能，六線電機(jī)是無(wú)法接成并聯(lián)形式的，實(shí)際已經(jīng)在內(nèi)部串聯(lián)起來(lái)了，串聯(lián)的公共端是中心抽頭。只有八線電機(jī)的相線圈是可以并聯(lián)使用的。

　　如果能將電機(jī)后蓋打開，看一下里邊的接線結(jié)構(gòu)，是可以進(jìn)行改動(dòng)的，使六線電機(jī)變成八線電機(jī)，這樣就可以并聯(lián)使用了，但不是所有的六線電機(jī)都能改制，只有能從電機(jī)后面看到連線接頭形式的可以改動(dòng)，有的電機(jī)是焊盤接頭，改制就需要一定的技術(shù)了。經(jīng)改制的步進(jìn)電機(jī)，原來(lái)串聯(lián)的也可以并聯(lián)使用，并聯(lián)使用時(shí)相電流是原來(lái)的1.4倍，高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能大大提高，轉(zhuǎn)矩也提高不少。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(jià)位和大電流，追求高速度，應(yīng)該認(rèn)真計(jì)算一下機(jī)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(dòng)器和電機(jī)都選得很大，但是其效果并沒有發(fā)揮出來(lái)，速度也不應(yīng)追求過(guò)高，實(shí)際加工過(guò)程中，機(jī)器進(jìn)刀量一般不大（受制于機(jī)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(jī)和驅(qū)動(dòng)器做好匹配可以省錢省力，達(dá)到事半功倍的效果。

　　提高步進(jìn)電機(jī)減速機(jī)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?yàn)樗苯佑绊懼?a target="_blank">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(jìn)電機(jī)減速機(jī)工作效率的方法：

　　1、步進(jìn)電機(jī)減速機(jī)加工精度提高到ISO5-6級(jí)；

　　2、使步進(jìn)電機(jī)減速機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理；

　　3、使得步進(jìn)電機(jī)減速機(jī)的軸承質(zhì)量和壽命提高；

　　4、理論知識(shí)的日趨完善，更接近實(shí)際（如齒輪強(qiáng)度計(jì)算方法、修形技術(shù)、變形計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、齒根圓滑過(guò)渡、新結(jié)構(gòu)等）。

　　步進(jìn)電機(jī)選型的步驟與方法

　　1、 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩，近似于傳統(tǒng)電機(jī)所稱的“功率”。當(dāng)然，有著本質(zhì)的區(qū)別。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的物理結(jié)構(gòu)，完全不同于交流、直流電機(jī)，電機(jī)的輸出功率是可變的。通常根據(jù)需要的轉(zhuǎn)矩大?。此獛?dòng)物體的扭力大?。?，來(lái)選擇哪種型號(hào)的電機(jī)。大致說(shuō)來(lái)，扭力在0.8N.m以下，選擇20、28、35、39、42（電機(jī)的機(jī)身直徑或方度，單位：mm）;扭力在1N.m左右的，選擇57電機(jī)較為合適。扭力在幾個(gè)N.m或更大的情況下，就要選擇86、110、130等規(guī)格的步進(jìn)電機(jī)。

　　2、 步過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速也要特別考慮。因?yàn)?，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速成反比。就是說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)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(jī)，就要對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的線圈電阻、電感等指標(biāo)進(jìn)行衡量。選擇電感稍小一些的電機(jī)，作為高速電機(jī)，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(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率的選擇步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率，通常稱為“空起頻率”。這是選購(gòu)電機(jī)比較重要的一項(xiàng)指標(biāo)。如果要求在瞬間頻繁啟動(dòng)、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(dòng)”。如果需要直接啟動(dòng)達(dá)到高速運(yùn)轉(zhuǎn)，最好選擇反應(yīng)式或永磁電機(jī)。這些電機(jī)的“空起頻率”都比較高。

　　4、 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)選擇步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)選擇，這項(xiàng)內(nèi)容，很多客戶幾乎沒有什么重視，大多是隨便購(gòu)買。其實(shí)，不同相數(shù)的電機(jī)，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(shí)的振動(dòng)就相對(duì)小一些。大多數(shù)場(chǎng)合，使用兩相電機(jī)比較多。在高速大力矩的工作環(huán)境，選擇三相步進(jìn)電機(jī)是比較實(shí)用的。

　　5、 針對(duì)步進(jìn)電機(jī)使用環(huán)境來(lái)選擇特種步進(jìn)電機(jī)能夠防水、防油，用于某些特殊場(chǎng)合。例如水下機(jī)器人，就需要放水電機(jī)。對(duì)于特種用途的電機(jī)，就要針對(duì)性選擇了。

　　6、 根據(jù)您的實(shí)際情況可否需要特殊規(guī)格特殊規(guī)格的步進(jìn)電機(jī)，請(qǐng)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(zhǎng)短、伸出方向等。

　　7、 如有必要最好與廠家的技術(shù)工程師進(jìn)一步溝通與確認(rèn)型號(hào)。