步进电机选型

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一、步进电机简介

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步进电机的定义：是一种专门用于精确控制速度和位置的特殊电机。它以固定角度（称为步距角）循序渐进地旋转，因此称为步进电机。
2、步进电机座号：主要有35、39、42、57、86、110等
3、步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。

4.步进电机的主要参数
步进电机相数：指电机内的线圈组数，目前常用的有两相、三相、五相步进电机。
拍摄数：完成磁场周期性变化所需的脉冲数或导电状态，用m表示，或电机转动齿距角所需的脉冲数。
保持扭矩：指定子锁定步进电机通电但不旋转时转子的扭矩。
步距角：对应脉冲信号，电机转子转动的角位移。
定位扭矩：电机转子本身的锁定扭矩。
失步：电机运行时的步数不等于理论步数。
失平衡角：转子齿轴偏移定子齿轴的角度，电机运行必须有不平衡角，不能通过细分驱动来解决。
运行矩频特性：电机在某些测试条件下测量运行中输出力矩与频率关系的曲线 。
5.步进电机的特点
① 步进电机的精度一般为步距角的3-5%，不积累；
② 步进电机外观允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；
③ 随着速度的增加，步进电机的扭矩会下降（U=E L(di/dt) I*R）

④ 空载启动频率：即步进电机在空载条件下能正常启动的脉冲频率。如果脉冲频率高于此值，电机不能正常启动，可能会丢失或堵塞。
步进电机的起步速度一般为10_{100RPM，伺服电机的起步速度一般为100}300RPM。根据电机的大小和负载，大电机一般对应较低的起动速度。
⑤ 低频振动特性：步进电机在连续步距状态下重复运行。步距状态的运动产生1 步距响应。

电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，共振区向上偏移，反之亦然。低速振动和噪声是其固有的缺点，克服了低速运行时两相混合步进电机的振动和噪声方法：
a. 通过改变减速比等机械传动避开共振区；
b. 采用具有细分功能的驱动器；
c. 更换步进电机，步距角较小；
d. 选用电感较大的电机
e. 交流伺服电机几乎可以完全克服振动和噪声，但成本高；
f. 小电流、低电压驱动。
g. 在电机轴上加磁阻尼器；
⑥ 中高频稳定性
电机固有频率估算值：

式中：Zr转子齿数；Tk电机负载转矩；J转子转动贯量
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二、步进驱动简介

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步进驱动器：它是一种功率放大器，可以将控制器发送的脉冲信号转换为步进电机的角位移。电机的速度与脉冲频率成正比，因此脉冲频率的控制可以准确调整速度，脉冲数量的控制可以准确定位。

1. 恒流驱动
2. 单极性驱动
3. 双极性驱动
4. 微步驱动
   微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕组电流的波形，使其梯子上升或下降，即在0和最大值之间给出多个稳定的中间状态，定子磁场在旋转过程中有多个稳定的中间状态，增加电机转子旋转的步数，减少步距角。细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减少转矩波动，避免低频共振，降低运行噪声。
   步距角：控制系统每个步进脉冲信号，电机旋转角度。

电机固有步距角 使用的驱动器类型和工作状态 电机运行时真正的步距角
0.9°/1.8° 驱动器半步工作 0.9°
0.9°/1.8° 驱动器在5细分状态下工作 0.36°
0.9°/1.8° 驱动器在10细分状态下工作 0.18°
0.9°/1.8° 驱动器在20细分状态下工作 0.09°
0.9°/1.8° 驱动器工作40细分 0.045°
实用公式：转速(r/s）=脉冲频率 /(电机每转整步数*细分数）

V：电机转速（R/S）；P：脉冲频率（Hz）；θe：电机固有步距角；
m：细分(1，2)

5. 步进电机闭环伺服控制
6. 电机绕组电流与电压的关系
7. 电压与电流与转速、转矩的关系
   ① 步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响大，电压越高，步进电机能产生的力矩越大，越有利于需要高速应用的场合，但电机的发热随着电压、电流的增加而加大，所以要注意电机的温度不能超过最大限值。
   ② 步进电机驱动器的输入电压一般设置在步进电机额定电压的3~25倍。建议：57座电机采用直流24V-48V，直流36-706机座电机V,110机座电机高于直流80V。
   ③ 可根据以下工程经验公式选择变压器降压、整流和滤波获得的直流电源：C=（8000 X I）/ V（uF）I为绕组电流（A）；V直流电源电压（V）
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三、电机选型计算方法

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电机的选择一般应遵循以下步骤：

1. 选择电机最大速度
   步进电机最大速度一般为600~1200 rpm。交流伺服电机的额定速度一般为3万 rpm，最大转速为5000rpm。根据此参数设计机械传动系统。
2. 选择电机定位精度
   确定机械传动比后，步进电机的步距角和驱动器的细分等级可根据控制系统的定位精度进行选择。一般来说，电机的步距角对应于系统定位精度的1/2 或更小。
   注意：当细分等级大于1/4后，步距角的精度不能保证。
   伺服电机编码器的分辨率选择：分辨率高于定位精度。
3. 电机力矩选择
   步进电机的动定步进电机的动力矩，我们经常先确定电机的静力矩。静力矩的选择是基于电机工作的负载，可分为惯性负载和摩擦负载。直接启动时(一般由低速)应考虑两种负载，加速启动时应考虑惯性负载，恒速运行时应考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应在摩擦负载的2-3倍以内。一旦选择静力矩，就可以确定电机的座椅和长度（几何尺寸）。