步进电机特性以及如何选型？

随着控制电机重要性的增加，控制电机的使用量也逐年增加。步进电机是一种控制电机，不使用反馈回路，就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制。

其应用主要以处理办公业务能力很强的OA机器和FA机器为核心，并广泛应用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等。就数量来讲，0A机器方面的应用约占步进电机使用总数的75%。 

一、步进电机原理

步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。

二、分类

电机有各种分类方式，如用电压种类分类时，有AC驱动与DC驱动；用旋转速度与电源频率关系分类时，则有同步电机和异步电机。

如下图是步进电机在小型电机系列中的位置关系。

由上图可知，步进电机属于DC驱动的同步电机，但无法直接用DC或AC电源来驱动，需要配备驱动器才能使用。所以步进电机的运行需要驱动电路。此点与无刷DC电机相同，无刷DC电机要使用驱动电路，驱动电路将电机定子与DC电源连接在一起工作。

三、步进电机特性

步进电机的基本特性包括电机静态特性、连续运动特性（动态特性）、电机启动特性和电机制动特性（暂态特性）。下面分别作介绍：

1、静态转矩特性

步进电机的线圈通直流电时，带负载转子的电磁转矩（与负载转矩平衡而产生的恢复电磁转矩称为静态转矩或静止转矩）与转子功率角的关系称为角度-静止转矩特性，这就是电机的静态特性。如下图所示：

因为转子为永磁体，产生的气隙磁密为正弦分布，所以理论上静止转矩曲线为正弦波。此角度-静止转矩特性为步进电机产生电磁转矩能力的重要指标，最大转矩越大越好，转矩波形越接近正弦越好。实际上磁极下存在齿槽转矩，使合成转矩发生畸变，如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波，加在正弦的静止转矩上，则上图所示的转矩为：

TL=TMsin[(θL/θM)π/2]

其中TL与TM各表示负载转矩和最大静止转矩（或称把持转矩），相对应的功率角为θL和θM，此位移角的变化决定了步进电机位置精度。根据上式得到：

θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)

PM型永磁步进电机和HB混合式步进电机的步距角θs在前面的课程中讲过即：θs=180°/PNr，角度改为机械角度（弧度），则变成下式：

θs=π/(2Nr)

上式Nr为转子齿数或极对数，所以两相电机θM=θs。

2、动态转矩特性

动态转矩特性包括驱动脉冲频率-转矩特性和驱动脉冲频率-惯量特性。

1）脉冲频率-转矩特性

脉冲频率-转矩特性是选用步进电机的重要特性。如下图所示，纵轴为动态转矩（dynamictorque），横轴取响应脉冲频率，响应脉冲频率用pps作为单位，即每秒的脉冲数表示。

如图所示，步进电机的动态转矩产生包括失步转矩（pull-out-torque）和牵入转矩（pull-in-torque）两个转矩。前者称为失步或丢失转矩，后者称为起动或牵入转矩。牵入转矩范围为从零到最大自起动脉冲频率或最大自起动频率区域。牵入曲线包围的区域称为自起动区域。电机同步进行正反转起动运行，在牵入与失步区域之间为运转区，电机在此区域内可带相应负载同步连续运行，超出范围的负载转矩将不能连续运行，出现失步现象。步进电机为开环驱动控制，其负载转矩与电磁转矩之间要有裕度，其值应为50%~80%。

2）脉冲频率-惯量特性

步进电机在带惯性负载快速起动时，须有足够的起动加速度。因此如负载的惯量增加，则起动脉冲频率就下降，为此，在选择步进电机时对两者要进行综合考虑。

下图纵轴为最大自起动频率，横轴为负载惯量，曲线表示负载惯量与最大自起动脉冲频率之间的关系。此处以PM型爪极步进电机（两相，步距角7.5°）为例。负载PL下，最大自起动脉冲频率PL与负载惯量Jc的关系如下：

式中，JR步进电机转子惯量，Ps为空载的最大自起动频率。

3、暂态转矩特性

由于步进电机转子惯量作用，即使空载运行一步，也会产生超越角(over-shoot），并在超越角与返回角（under-shoot）之间来回振荡，经过哀减后静止于所定角度，此为步进电机暂态响应特性。

下图表示步进电机的暂态特性，纵轴取转子移动角度，横轴为时间。△T为上升时间，△θ表示超越角，转子自由静止到设定位置的时间（通常到达步距角的士5%误差范围的时间）称为稳定时间（settingtime）

稳定时间越短，快速性越好，为了加快机构的运行速度，使稳定时间变短，步进电机的阻尼（制动）变得很重要。使稳定时间变短的方法有改变摩擦或改变惯量驱动等，在后面会详细介绍。

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