步进电机的选型
张晓松
（邢台钢铁有限责任公司，河北邢台０５４０２７）
摘要：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。
关键词：步进电机；分类；选择；注意事项
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。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。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。
1步进电机分类
步进电机分3种：永磁式步进电机（PM）、反应式步进电机（VR）和相混合式步进电机（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°或15°，多半用于价格低廉的消费性产品；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°，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家20世纪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、三相和五相：两相步进角一般为1.8°，三相步距角为0.9°，而五相步进角一般为0.72°。混进合式步进是工业运动控制应用最常见的电机。此外，按照电机驱动架构又可分为单极性（unipolar）和双极性（bipolar）步进电机。
2步进电机选择
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。
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（°／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×1.02×10-2（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）×10－2（1－5）
式中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）×10-2（1－6）
式中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
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机电信息2009年第24期总第234期
4焊接工作量大幅减少，节约了焊接耗材
钢板焊接小车架各梁的翼板和腹板的连接均采用自动
焊，由于各个梁的总数目较多，所以焊接工作量相当大，消耗焊接较多，且梁的自身焊缝需打磨，主体对接焊缝需探伤检测。采用型钢制作后由于各个型钢梁自身都没有焊缝，就无需再进行焊缝打磨和焊缝探伤检测。梁与梁之间的连接仍然和钢板拼焊小车架各梁连接一样采用手工焊接。表2是钢板拼焊小车架各梁焊接制作与型钢小车架各梁制作情况对照表，总的焊接工作量减少50%以上，自动焊焊丝全部省去，节约了焊接耗材。
5梁自身的局部残余应力消除，制造精度增加。
因为由钢板拼焊而成梁的翼板与腹板之间容易产生较大
的残余变形和焊接内应力，从而影响结构的承载力、加工精度和尺寸稳定性，同时梁翼板与腹板的之间焊缝与翼板和腹板的交界处还会引起应力集中，对结构的脆性断裂有较大影响。而型钢梁的翼板与腹板无需焊接，不存在以上所述的问题。有效控制了焊接变形，大大增加了制造精度，提高了小车架的产品质量。
从以上综合分析我们可以看出型钢替代钢板制作小车架在整个小车架制作过程中（包括图纸设计、原材料利用、生产制造工艺简化等）带来的直接效益。由于小车架通常都是批量生产，制造数量较多，所以型钢替代钢板制作小车架带来的优点更为明显。同样这种设计思路我们也可以用在其他产品设计上面。如岸桥的底盘、卸船机主小车等等。伴随着原材料价格不断上涨，人力成本不断增高，用型钢替代钢板制作其它产品会越来越受重视，应用也会越来越来广泛
。
（上接第107页）
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 。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 。
3步进电机选型注意事项
（1）步进电机应用于低速场合—转速不超过1000r ／min ，
（0.9°时6666PPS ），最好在1000～3000PPS （0.9°）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
（2）步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。（3）由于历史原因，只有标称为12V 电压的电机使用12V 外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择
驱动电压.当然12V 的电压除12V 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。
（4）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。
（5）电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。
（6）高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。
（7）电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。
（8）电机在600PPS （0.9°）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。
（9）应遵循先选电机后选驱动的原则
。
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