步进电机基础（7.2）-步进电机的选择方法-位置定位精度、转速方面、转速变化率和依据使用环境来选择

  • 前言
    • 基本信息
    • 前言说明
  • 7.2 电机种类的选择
    • 1 . 高分辨率电机的选用
    • 2 . 高分辨率的步进电机
      • 1) 多相步进电机
      • 2)齿数队多的电机
  • 7.3 从转速方面来选择
    • 1. 步距角与转速
    • 2. 电机的种类与转速
  • 7.4 由转速变化率来选择
  • 7.5 依据使用环境来选择
    • 1 . 环境温度
    • 2 . 湿度
    • 3 . 防尘型

前言

基本信息

名称 描述说明
教材名称 步进电机应用技术
作者 坂本正文
译者 王自强

前言说明

根据我读的《步进电机应用技术》这本书，进行的学习过程中的知识记录和心得体会的记录。

7.2 电机种类的选择

  步进电机以位置定位控制为主要的使用时，要提高位置定位精度，需要电机具有以下性能：

  1. 高分辨率(步距角小）。
  2. 矩角特性为正弦波，峰值大。
  3. 齿槽转矩(cogging〉小。
  4. 动态转矩大，暂态特性良好。

  同等性能的电机，要得到这些的特性，就要配合最佳的驱动方式。根据以上介绍，我们试着选择位置定位精度好的电机。

1 . 高分辨率电机的选用

  步进电机位置定位控制时，设步距角为θsθ_sθs​，脉冲波的总数为nnn，步进电机的总步进量为nnnθsθ_sθs​，最终步进的步进电机的位置误差为△△△θθθ则下式成立：

  此时，由于步进电机本体的结构，第(nnn一1)步以内的误差不会累计计算，第nnn步的步进误差△△△θθθ，变成总步进量θnθ_nθn​的位置误差。故位置定位系统的精度PAPAPA用下式表示：

下式成立：

此处， KKK 可以根据步距角的大小多少变化，轻载时约为0.05。依据式(7. 3)，步距角愈小，位置定位精度PAPAPA愈好。要想提高位置定位精度，就要选择高分辨率的步进电机，使位置定位误差△△△θθθ小。

2 . 高分辨率的步进电机

  此处考虑决定步距角的要素。式(2. 1)如用弧度表示，则步进电机的步距角θsθ_sθs​如下式表示：

式中，θsθ_sθs​为机械角。

1) 多相步进电机

  相数P多，步距角小、分辨率高、位置定位精度提高。但随相数的增加，驱动电路的功率管数量成比例增加，驱动电路变得复杂，成本提高，由于电机多相构造，制造工作量复杂程度增加，由此造成成本绩效的降低。如多相化，全步进时以及半步进时可获到转矩波动小、振动低等优点。相数如由两相增加到三相,驱动电路不会变复杂，且可获得多相电机的有利特性。
  齿槽转矩太大时，其位置定位精度差，转动时振动或噪音大，一般的用途是希望此转矩小。故齿槽转矩的大小变成步进电机评估的一项指标。齿槽转矩稳定点的周期一般取与步距角相同的周期。图7.1表示同一大小、同一气隙的HB型步进电机的齿槽转矩比较。
  由图可知，两相1. 8°与三相1. 2°使用同一个50齿转子时，三相电机的齿槽转矩值约降 低 1 / 2 。 三相同一大小100齿的步进角度0.6°的电机，其齿槽转矩约降低1/4。此齿槽转矩的周期，理论上是两相步进电机静态转矩周期的1/4倍（4次谐波），三相电机为1/6倍(6次谐波）。由式（7. 4)可知， P与队越多，越能降低齿槽转矩，提高位 置 定 位 精 度 。
  步进细分数相同时，两相HB型与三相HB 型的位置精度比较如图7. 2所示，8细分的两相1. 8°与三相0. 6°两者比较，三相0. 6°其位置误差比两相电机降低22%左右。


2)齿数队多的电机

  对位置定位非常重要的静态转矩特性的角度变化周期，并不会随电机相数的改变而改变，只依据转子齿数来决定。
  齿数或极对数NrN_rNr​越大，分辨率越高。负载转矩TLT_LTL​加在步迸电机上，由式(6, 1)得知，其位置定位精度与位移角θLθ_LθL​有下式关系：

式中，TMT_MTM​为最大静止转矩（也称为把持转矩）。由式（7. 5)可知，此位移角决定步进电机的位置定位精度。决定步进电机的位置定位精度的位移角θLθ_LθL​下式表示：

  另一方面θMθ_MθM​用下式表示：

  由式(7. 6)与式(7.7)变成下式：

  即电机的静态转矩特性如为正弦波，则峰值转矩TMT_MTM​很大，如选择齿数NrN_rNr​大的步进电机，负载引起的位移角就小，从而提高位置定位精度。齿槽转矩小的电机静态转矩特性接近正弦波。
  以HB型步进电机为例，转子齿数NrN_rNr​有50齿或100齿。两相时，50齿步距角1. 8°，100齿变成0.9°。 三相电机的情况，50齿1.2°，100齿0. 6° 。图 7.3 示 出 三 相 HB塑1.2°与0.6°的步进电机，在相同负载转矩TLT_LTL​位 置 定 位 时 的 位 移 角 情 况 。 即 NrN_rNr​大的在 0.6°范围内形成静态转矩特性的斜率大(刚性强），亦即，对相同的负载引起的位移角变化量小。

  位置定位控制时，位置到达时间会出现问题，此时，动态转矩大，暂态特性良好，也成为步进电机的选择条件。动态转矩，特别是低速时的动态转矩越大，在负载加速运行时可缩短位置定位时间。负载加速后，如到达接近目标位置，必须要尽快停止，因此，要考虑暂态特性。

7.3 从转速方面来选择

1. 步距角与转速

  选用市面出售的产品，根据使用速度，选择步进电机工作在最佳状态很重要。步进电机速度分为：

  1. 只在低速下使用
  2. 在2000rpm以上的高速使用
  3. 由低速到高速宽范围使用三种速度状态

  步进电机的选择会因此而有所不同。

  步进电机高速运行时，因线圈电感的影响，会限制线电流的流入。 设1相的线圈电抗为XXX，驱动电流的频率角速度为ωωω(电气角），其同步转动的转子机械角速度为ωmω_mωm​，则在高速运行时，线圈电阻R<<XR<<XR<<X，1相绕组的阻抗ZZZ变成下式：

  转子以转速ωmω_mωm​转动时，阻抗ZZZ要求转子齿数NrN_rNr​越小越好，这样电流易于流人。另外定子为恒流驱动，如果转速太高，也无法达到恒流控制，会变成恒压驱动，高速运动时，此状态驱动的情况较多。在此状态下，外加电压为VVV时，若反电动势为EEE , 则由下式来定其电流III:


  高速转动NrN_rNr​小的电机电流 III大。步距角用式(7. 4)来决定,齿数NrN_rNr​小，则步进电机的步距角大。高速运行时，选择步距角度大的步进电机。相反，低速驱动以步距角小的电机较合适。
  低速运行容易产生振动或共振，为避免或减小振动，电机的步距角要小，而且两相电机不如三相电机好。更进一步分析，全步进不如半步进、细分步进的好。并且，转子齿数多的电机，低速时的转矩大。低速使用时,尽可能使用直接驱动，而不要使用减速器这是因为步距角小的步进电机低速时输出高转矩的速度_转矩特性下降斜率大，适合低速运行。
  图7.5表示同一台电机不同步距角时，速度-转矩特性曲线不同。例如在2000rpm使用1. 2°比500rpm使用0. 6°的转矩小。

2. 电机的种类与转速

  相同步距角的电机根据其结构，有适合低速和适合高速之分。例如三相RM型步进电机（电机大小42mm方形，40mm长，步距角3. 75° )的速度 - 转矩特性如图7. 6 所 示 。 由 低 速 到 高 速 4000 rpm速度变化不大，形成平坦的曲线。

  此种步进电机可在中速到高速下运行，而且低速转矩不大， 不会产生共振现象 。 大多数低速输出大转矩的电机均使用直接驱动方式 ， 而此种低速小转矩的电机不能直接驱动 。 此种低速的情况用HB型较适合。

7.4 由转速变化率来选择

  从转速变化率来看，步进电机以ωmω_mωm​平均速度旋转。 步进电机由于是同步电机，转速与角速度一致，实际旋转一圈，视ωmω_mωm​为平均速度，其速度变化为0-峰值以△ωm△ω_m△ωm​转动。此时的转动变化率VFVFVF如图6.22所示，变成下式：

  根据式(7. 11)，转速ωmω_mωm​越大（即转速快时）， VFVFVF越小。但电机工作时，人的视觉识别速度变化范围只能在低速200 rpm以下。式（7. 11)的△ωm△ω_m△ωm​为分辨率，步距角愈小的步进电机其值愈小。对相同步距角的电机，三相电机比两相电机要小， HB型电机比RM型电机要小。因此，应该选择转速变化率小的步进电机。
  当负载惯量大， 飞轮效应为1/10时， VFVFVF将得到很大改善。驱动方式必然会影响转速变化率。全步进驱动不如半步进驱动，甚至细分步进驱动时转速变化的降低效果好。当然，为使转速变化率减小，采用闭环控制较为理想，但编码器等组成的测量回路会提高成本。
  以剧场舞台为例，当光源用步进电机驱动时，如转速变化大时，光在舞台上的移动速度就不均匀，就可以用眼睛观察到转速的变化。
  图7.7表示的是照明驱动装置使用步进电机，纵轴为位置，横轴为时间，使用两相HB型1.8°与三相HB型0.6°的步进电机进行比较，激光源用20rpm驱 动 时 的 激 光 束 轨 迹 两 者 皆 8细分微步进驱动。这些轨迹右上的斜度越接近直线，转速变化越小。三相HB型0.6°变成直线，两相1.8°依然阶梯状畸变移动。这些用眼睛就能区分出来。

7.5 依据使用环境来选择

  步进电机的使用受到工作场地的温度和湿度限制，其使用场所不仅限于屋内。OA机器一般用于屋内环境良好的场所，步进电机使用环境处于密封状态;但应用于汽车和FA机器时，也会处于多尘埃的环境;或置于屋外的机器（监视器等）；或在高温的环境下使用。步进电机生产厂家的标准机种在样本上都有说明。如要特殊订货应与厂家商洽。

1 . 环境温度

  步进电机的绝缘等极E级电机比较多。 E级使用环境温度为50℃，电机的温升在70℃以下，线圈温度应不超过120°C。步进电机实际安装时，通常安装在金属底板或外壁上。此时安装步进电机的金属箱可以起到散热片的功能，温度上升比电机单独测量时要小。
  控制温度的措施是加外部冷却风扇或使电机停止或减速降功率运行。电机在高温运行时，线圈的绝缘等级以B级、 F级或H级为好。此时，不只是绝缘等级的提高，轴承的润滑脂或永久磁铁等也要采取耐高温措施。

2 . 湿度

  决定温度与湿度，通常以不结露为前提。此时主要考虑铁心和永久磁铁的生锈、腐蚀等问题。特别是HB型步进电机在高温多湿条件下，定子与转子间的气隙处绝对不能出现生锈现象。改善使用环境，使其不要超过生产厂规定的环境要求。如有特殊要求应与厂商协商。

3 . 防尘型

  防尘型主要在导电、轴承等地方，使其不要受到尘埃的侵入，大都用橡胶或树脂等保护线圈部分、引出线部分、轴承部分等。此时应与厂家协商。

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