步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。如何正确选择步进电机,需要考虑到转矩、负载、电流、惯量、转速、精度等因素,明确步进电机的这些要素,才能选对适合应用的步进电机。

1、选择步进电机电机种类(PM型、VR型、HB型)
步进电机按转子的构造大体分为:由钣金爪极与圆筒线圈组成的定子和永磁铁氧体组成的PM型;转子不使用永久磁铁的VR型;转子由两个磁极中间加一个磁铁组成的HB型三种类型。其各自的特点如下表:

  PM型 HB型 VR型
步距角 7.5°∼15°较多 1.8°较多 1.8°∼15°
转矩 中∼大
时间常数 小∼中
价格 便宜 高价 高价

如上表所示,要考虑转矩、步距角、时间常数及价格4点,以此判断何种步进电机合适。

例如PM型轴承不像HB型使用滚柱轴承,而是用金属滑动轴承,如施加弹性负载时,采用皮带传递负载或利用滚珠丝杠进行转矩传动,金属滑动轴承的径向载荷或止推载荷的允许值出现故障的情况会很多,并且需要注意PM型的使用温度范围。VR型步进电机作伺服电机使用时要进行闭环控制,所以很少使用VR型步进电机。原因是其价格接近HB型步进电机,分辨率只有HB型的½,并且不如永磁电机效率高,而且其暂态特性差。HB型转矩大、分辨率高,多用于位置定位或低速运行,但易产生振动或噪声问题。

2、判断需要多大的力矩:静力矩是选择步进电机的主要参数之一,在判断需要多大的静力矩时要保证步进电机的输出转矩大于负载所需的转矩,这样才能保证整个系统的正常运转,而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时两种负载均要考虑,加速启动时主要考虑惯性负载,恒速运行时只要考虑摩擦负载。在计算整个机械系统的负载转矩时,电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其可靠运行(步进电机的安全系数一般选择1.3~2)。在实际工作过程中,各种频率下的负载转矩必须在矩频特性曲线的范围内,一般来说,静力矩越大的电机,输出转矩也越大,承受负载能力越强。

3、判断电机的运转速度:选用市面出售的产品,根据使用速度,使步进电机工作在最佳状态很重要,在选型的过程中要尽量避免出现小马拉大车和性能过剩的情况。那么怎样才能从转速的角度选择合适的步进电机呢,这就要把步进电机的工作的三种速度状态分清楚:①只在低速下使用;②在2000rpm以上的高速工况下使用;③由低速到高速宽范围使用的三种速度状态。

由于低速运行容易产生振动和共振,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。进一步分析,全步进不如半步进、细分步进的好。步进电机高速运行时,因线圈电感的影响,会限制线圈电流的流入,所以应选择相电流较大、电感较小的电机,以增加输入功率。且在选择驱动器时采用高供电电压。

4、选择电机的安装规格:目前市面上使用较多的步进电机的安装规格有20*20mm(NEMA8)、28*28mm(NEMA11)、35*35mm(NEMA14)、39*39mm(NEMA16)、42*42mm(NEMA17)、57*57mm(NEMA23)、86*86mm(NEMA34)、110*110mm(NEMA42),步进电机的机座尺寸越大输出力矩就越大。如果电机的安装空间有限、输出力矩不足的情况可以考虑鸣志力矩增强型步进电机,力矩增强技术可以使电机的输出力矩在全速度段内提升25%到40%,这项技术是通过优化磁路设计来提高输出力矩,而不需要提高输入电压或输入电流。

5、确定步进电机的定位精度:高定位精度步进电机具有高分辨率、齿槽转矩小、动态转矩大,暂态特性良好等特性。步进电机的相数越多,位置定位精度越高,步距角越小,位置定位精度也越高。但是由于电机多相构造,加工制造的复杂程度也相应增加,目前市场上大多采用两相1.8°和0.9°、三相1.2°、五相0.72°和0.36°等方案,如果对振动噪音方面有要求的话,还可以采用微步细分的方式。

6、根据电机的电流、细分和供电电压选择合适的驱动器。

另外,您还可以使用鸣志最新设计的智能选型软件SEARCH ROBOT来帮助您快速选型,不仅支持传统的选型方式,还增加了不同工作频率下力矩和温升的选型功能,解决了客户的选型难题。