步进电机选型需知（转帖）

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步进电机选型须知
步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为百分之100），定位精度为每步X百分之5。所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
    为了让更多的用户了解步进电机及步进电机驱动器，选择到最适合自己使用要求的步进电机和步进电机驱动器，特将有关选型原则介绍如下：（仅供参考）
    1. 首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。最简单的方法是在负载轴上加一杠杆，用弹簧秤拉动杠杆，拉力乘以力臂长度既是负载力矩。M=fXs或者根据负载特性从理论上计算出来。目前步进电机只标注最大静转距，步进电机的最大静转距不超过45Nm ，力矩越大，成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置。
    2. 确定步进电机的最高运行转速。转速指标在步进电机的选取时至关重要，步进电机的特性是随着电机转速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多参数有关，如 : 驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等，一般的规律是：驱动电压越高，力矩下降越慢；电机的相电流越大，力矩下降越慢。在设计方案时，一般的规律应使电机的转速控制在几百转/分，当然高速也行，可以参考〈矩 - 频特性〉。
    3. 根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标，再参考〈矩 - 频特性〉，就可以选择出适合自己的步进电机。如果您认为自己选出的电机太大，可以考虑加配减速装置，这样可以节约成本，也可以使您的设计更灵活。要选择好合适的减速比，要综合考虑力矩和速度的关系，选择出最佳方案。
    4．步进电机速度控制是靠输入的脉冲信号的变化来改变的，从理论上说，只需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）但是实际上，如果脉冲CP信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信号的变化，这时会产生堵转和丢步现象，所以步进电机在启动时，必须有升速过程，在停止时必须有降速过程。一般来说升速和降速规律相同，以下为升速为例介绍：
    升速过程由突跳频率加升速曲线组成（降速过程反之）。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率，此频率不可太大，否则也会产生堵转和丢步。升降速曲线一般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突跳频率和升降速曲线，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中比较麻烦，一般事先算好时间常数存贮在计算机存贮器内，工作过程中直接选取。
  5. 最后还要考虑留有一定的（如 百分之20）力矩余量和转速余量。
  6. 尽量选择混合式步进电机，它的性能高于反映式步进电机。
  7.尽量选取细分驱动器，且使驱动器工作在细分状态。降低运行噪音。
  8. 选取时且勿走入只看电机力矩这一个指标的误区，也就是说并非电机的扭矩越大越好，要和速度指标一起考虑。同一系列电机直径，长度相同，电流大，电机高频性能好，反之亦然。
  9.在转速要求较高的情况下可以选择驱动电压高一点的驱动器和大电流电机。
  10.在选购时是采用两相，三相的还是五相的，这并没有什么具体的要求，只要步距角能满足使用要求就行。步距角越小，电机运行越平稳。
步进电机选型方法示范
要使系统协调运转,选型是比较重要的一环。在此介绍一些有关选型的事项，供中国步进电机网浏览者参考。
由于电机直接与外界负载相关联，因此，可以先从电机着手。选型步进电机大致可分为以下几个步骤：
    1、计算负载转矩
    假设系统力学模型如下图所示：
已知条件如下：
    所用丝杆为滚珠螺杆，直径 D=2Omm，长度 L=1 米，负载 P=5OKG，Z1、Z2 为传动齿轮，Z1 分度圆直径为 D1=200mm，Z2 分度圆直径为 d2=100mm，宽度为2 厘米，μ为摩擦系数，在此设其为μ=0.2，电机启动速度 VO=300RPM，运行速度 V1=900RPM，加速时间 t=200ms，由此可求得负载转矩如下：
    T=9.8 μ PD/2/1000
    =9.8 × 0.2 × 50 × 20/2/1000
    =0.98( 牛米 )
    2、计算传动构件的转动惯量
    滚珠螺杆转动惯量：
    IO=1.57(R^4)ρ L //ρ 为密度，
    =1.57 × (0.01^4) × 7800 × 1
    =0.012( 千克-米平方 )
    同理可分别求得 Z1 与 Z2 转动惯量， 假定求得 Z1 转动惯量为
    I1=0.024( 干克·米平方 )
    Z2转动惯量为
    I2=0.0015( 千克-米平方 )
    3、计算传动比
    I21=d1/d2=2
    4、计算电机起动转矩
    Tm=T/i21+(lO+I1) ξ/l 21+l2 ×ξ // ξ为电机的角加速度，此处 =314
    =0.98/ 2+ (0.012+0.024) × 314/2+0.0015× 314
    =0.49+5.652+0.471
    =6.613( 牛?米 )
    考虑到其他因素的影晌，将其乘上一系数 K， 此系数请一实际情况斟酌选取。在此令K =1.5， 则
    TK=K × Tm=6.613 × 1.5=9.9( 牛·米)
    5、选取电机
    据 V1=900RPM( 若是两相电机，其脉冲频率为 3000)，TK=9.9( 牛·米 ) 查找选型手册，选出合适电机
    6、 根据所选电机额定电流选出与其匹配的驱动器，驱动器的额定电流应比电机额定电流略大。
    参考数据
    为由上述计算可见，由传动构件带来的额外转矩不可忽略，在进行设计时应多加注意。由于计算转矩较为繁琐，在实际应用中可根据系统机构大致估算所需转矩。下面列出一些电机转速在8 转/ 秒以内匹配成功率较高的应用 ( 滚珠螺杆传动 )。
补充内容 (2015-4-29 09:59):

ckz555

很专业的知识，值得了解

神一样的黄皇

谢谢分享，非常感谢楼主

huangxiao

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