步進(jìn)電機(jī)作為一種數(shù)字式執(zhí)行元件，在運動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。許多用戶朋友在使用步進(jìn)電機(jī)的時候，感覺電機(jī)工作時有較大的發(fā)熱，心存疑慮，不知這種現(xiàn)象是否正常。實際上發(fā)熱是步進(jìn)電機(jī)的一個普遍現(xiàn)象，但怎樣的發(fā)熱程度才算正常，以及如何盡量減小步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱呢？本文將對這些問題做一簡單的分析。 1、 步進(jìn)電機(jī)為什么會發(fā)熱 對于各種步進(jìn)電機(jī)而言，內(nèi)部都是由鐵芯和繞組線圈組成的。繞組有電阻，通電會產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉(zhuǎn)速而變化，因而步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。 2、步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱的合理范圍： 電機(jī)發(fā)熱允許到什么程度，主要取決于電機(jī)內(nèi)部絕緣等級。內(nèi)部絕緣性能在高溫下（130度以上）才會被破壞。所以只要內(nèi)部不超過130度，電機(jī)便不會損壞，而這時表面溫度會在90度以下。所以，步進(jìn)電機(jī)表面溫度在70-80度都是正常的。簡單的溫度測量方法有用點溫計的，也可以粗略判斷：用手可以觸摸1-2秒以上，不超過60度；用手只能碰一下，大約在70-80度；滴幾滴水迅速氣化，則90度以上了。 3、步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱隨速度變化的情況： 采用恒流驅(qū)動技術(shù)時，步進(jìn)電機(jī)在靜態(tài)和低速下，電流會維持相對恒定，以保持恒力矩輸出。速度高到一定程度，電機(jī)內(nèi)部反電勢升高，電流將逐步下降，力矩也會下降。因此，因銅損帶來的發(fā)熱情況就與速度相關(guān)了。靜態(tài)和低速時一般發(fā)熱高，高速時發(fā)熱低。但是鐵損（雖然占的比例較?。┳兓那闆r卻不盡然，而電機(jī)整個的發(fā)熱是二者之和，所以上述只是一般情況。 4、發(fā)熱帶來的影響： 電機(jī)發(fā)熱雖然一般不會影響電機(jī)的壽命，對大多數(shù)客戶來說沒必要理會。但是，嚴(yán)重的發(fā)熱會帶來一些負(fù)面影響。如電機(jī)內(nèi)部各部分熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化和內(nèi)部氣隙的微小變化，會影響電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)，高速會容易失步。又如有些場合不允許電機(jī)的過度發(fā)熱，如醫(yī)療器械和高精度的測試設(shè)備等。因此對電機(jī)的發(fā)熱應(yīng)當(dāng)進(jìn)行必要的控制。 5、如何減少電機(jī)的發(fā)熱： 減少發(fā)熱，就是減少銅損和鐵損。 減少銅損有兩個方向，減少電阻和電流，這就要求在選型時盡量選擇電阻小和額定電流小的電機(jī)，對兩相電機(jī)，能用串聯(lián)的電機(jī)就不用并聯(lián)電機(jī)。但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對于已經(jīng)選定的電機(jī)，則應(yīng)充分利用驅(qū)動器的自動半流控制功能和脫機(jī)功能，前者在電機(jī)處于靜態(tài)時自動減少電流，后者干脆將電流切斷。另外，細(xì)分驅(qū)動器由于電流波形接近正弦，諧波少，電機(jī)發(fā)熱也會較少。 減少鐵損的辦法不多，電壓等級與之有關(guān)，高壓驅(qū)動的電機(jī)雖然會帶來高速特性的提升，但也帶來發(fā)熱的增加。所以應(yīng)當(dāng)選擇合適的驅(qū)動電壓等級，兼顧高速性，平穩(wěn)性和發(fā)熱，噪音等指標(biāo)。 和步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)有以下幾點優(yōu)勢： 1、實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題； 2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000～3000轉(zhuǎn)； 3、抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用； 4、低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合； 5、電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)； 6、發(fā)熱和噪音明顯降低。 伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)） 關(guān)于驅(qū)動器的細(xì)分原理及一些相關(guān)說明（轉(zhuǎn)載） 在國外，對于步進(jìn)系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動器。 但在國內(nèi)，廣大用戶對“細(xì)分”還不是特別了解，有的只是認(rèn)為，細(xì)分是為了提高精 度，其實不然，細(xì)分主要是改善電機(jī)的運行性能，現(xiàn)說明如下：步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū) 動器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流來實現(xiàn)的，以二相電機(jī)為例，假如電機(jī)的額定相電流為3A， 如果使用常規(guī)驅(qū)動器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運行一步，其繞組內(nèi)的 電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機(jī)運行的振動和噪 音。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，在10細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機(jī)，電機(jī)每運行一微步，其繞組內(nèi)的 電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大的改善了電機(jī)的振 動和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點才是細(xì)分的真正優(yōu)點。由于細(xì)分驅(qū)動器要精確控制電機(jī)的 相電流，所以對驅(qū)動器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。注意，國內(nèi)有一 些驅(qū)動器采用“平滑”來取代細(xì)分，有的亦稱為細(xì)分，但這不是真正的細(xì)分，望廣大用戶一 定要分清兩者的本質(zhì)不同： 1．“平滑”并不精確控制電機(jī)的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以“平 滑”并不產(chǎn)生微步，而細(xì)分的微步是可以用 來精確定位的。 2．電機(jī)的相電流被平滑后，會引起電機(jī)力矩的下降，而細(xì)分控制不但不會引起電機(jī)力矩的 下降，相反，力矩會有所增加。 （一）步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。 1、步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。 2、靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 4、力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= Ω•M Ω=2π•n/60 P=2πnM/60 其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓•米 P=2πfM/400(半步工作） 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS) (二）、應(yīng)用中的注意點 1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機(jī)工作效率高，噪音低。 2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。 5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 6、高精度時，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 7、電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8、電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 9、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。五、其他說明 有關(guān)低頻振動、升降速、機(jī)械共振、工作往復(fù)運動的誤差、平面圓弧X、Y插補(bǔ)誤差以及其他問題。具體解決辦法恕不便在此敘述，我廠用戶可來電咨詢，可根據(jù)具體情況解決。 不同廠家的電機(jī)在設(shè)計、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進(jìn)電機(jī)應(yīng)注重可靠性而輕性能、重品質(zhì)而輕價格。 最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅(qū)動器和電機(jī)。這樣便于最終客戶的維護(hù)。