步进电机的选用计算方法及应用上的一些问题

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。
步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
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。

步进电机应用上的一些问题

1： 如何控制步进电机的旋转。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.
方向？
　　1.可以改变控制系统的方向电平信号。
　　2.可以调整电机的接线来改变方向，具体做法如下：
　　对于两相电机，只需将其中一相的电机线交换接入 步进电机驱动器即可，如A 和A-交换。
　　对于三相电机，不能将其中一相的电机线交换，而应顺序交换其中的两相，如把A 和B 交换，
　　A-和B-交换。
2： 步进电机的噪声特别大，没有力，并且电机振动，怎么办？
　　遇到这种情况是因为步进电机工作在振荡区，解决办法：
　　1.改变输入信号频率CP来避开振荡区。
　　2.采用细分驱动器，使步距角减少，运行平滑些。
3： 当步进电机通电后，电机轴不转怎么办？
　　有以下几种原因会造成电机不转：
　　1.过载堵转
　　2.电机是否已损坏
　　3.电机是否处于脱机状态
　　4.脉冲信号CP是否到零
4： 步进电机驱动器通电后，电机在抖动，不能运转，怎么办？
　　遇到这种情况，首先检查电机的绕组与驱动器连接又没有接错，如没有接错，再检查输入脉冲信号频率是否太高，是否升降频设计不合理。若以上原因都不是，可能是驱动器缺相，请速与我公司联系。
5： 如何做好步进电机的升降曲线？
　　步进电机的转速是随输入脉冲信号的变化而变化的。从理论上说，只要给驱动器脉冲信号即可。每给驱动器一个脉冲（CP），步进电机就旋转一个步距角（细分时为一个细分步距角）。但是，由于步进电机性能关系，CP信号变化太快，步进电机将跟不上电信号的变化，这时会产生堵转和丢步现象。所以步进电机要在高速时，必须有升速过程，在停止时必须有降速过程。一般升速与降速规律相同，以下以升速为例介绍：
　　升速过程由起跳频率加升速曲线组成（降速过程反之）。起跳频率不能太大，否则也会产生堵转和失步。升降速曲线一般是为指数曲线或经过修调的指数曲线，当然也可采用直线或正弦曲线等。用户需根据自己的负载选择合适的响应频和升降速曲线，找到一条理想的曲线并不容易，一般需要多次试机才行。指数曲线在实际软件编程过程中比较麻烦，一般事先算好时间常数存储在计算机存储器呢，工作过程中直接选取。
6： 步进电机发烫，正常温度范围是多少？
　　步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步。因此电机外表允许最高温应取决于不同磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至还高。所以步进电机外表在摄氏80-90度完全正常。
7： 两相步进电机和四相步进电机有何不同？
　　两相步进电机在定子上只有两个绕组，有四根出线，整步为1.8°，半步为0.9°。在驱动器中，只要对两相绕组电流通断和电流方向进行控制就可以了。而四相步进电机在定子上有四个绕组，有八根出线，整步为0.9°，半步为0.45°，不过驱动器中需要对四个绕组进行控制，电路相对复杂了。所以两相电机配两相驱动器，四相八线电机有并联、串联、单极型三种接法。并联接法：四相绕组两两相并，绕组的电阻与电感成倍减小，电机运行时加速性能好，高速带载力矩大，但是电机需要输入两倍于额定电流的电流，发热较大，对驱动器输出能力要求相应提高。而在串联使用时，绕组的电阻与电感成倍的增大，电机低速运行时稳定，噪音和发热较小，对驱动器要求不高，但高速力矩损耗大。所以用户可根据要求来选择四相八线的步进电机接线方法。
8： 电机是四相六根线，而 步进电机驱动器只要求解四根线时，该怎样使用？
　　对于四相六根线电机，中间抽头的两根线悬空不接，其他四根线和驱动器相连。
9： 反应式步进电机与混合式步进电机的区别？
　　在结构与材料上不同，混合式电机内部有永磁型材料，所以混合式步进电机运行时相对平滑，输出浮载力大，噪音小。