如何正确选择步进电机

　　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. 按照转子结构选择步进电机种类
　　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HS型三种类型。
　　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HS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HS型步进电机，分辨率只有HS型的一半，并且不如永磁电机效率高，而且其暂态特性差。HS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。
　　一般来说，选择混合型步进电机
　　2. 根据电机参数选定电机
　　首先，要特别关注电机的速度力矩曲线图。
　　
　　在步进电机选型时，主要通过速度力矩曲线图进行选型。
　　接下来，给出一个大致的步进电机选型步骤作为参考。
　　2.1 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。
　　如果需要特别高的分辨率（特别小的步距角），可以考虑在步进电机输出轴上加装减速器。但是加装减速器后需要注意，负载转矩通过减速器传递到电机输出轴后会发生变化。
　　2.2 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。
　　计算负载转矩时要注意，如果负载直接接在电机输出轴上，负载转矩不会变化；若负载通过减速器再接到电机输出轴上，则需要用负载转矩除以减速比才是最终传递到电机输出轴上的转矩。选型时，电机在额定转速下的输出转矩大于电机输出轴上的负载转矩即可。
　　2.3 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。
　　2.4 根据额定功率选择电机
　　设计一个电机驱动系统时，可以参考类似系统的手册。在手册中技术参数部分，会给出系统总的输入功率。而总的输入功率会分配给系统的各个模块使用，例如通信模块、显示模块、电机驱动模块等。
　　因此，用于电机驱动模块的功率要小于系统的总功率。在确定电机的精度、负载力矩、运转速度后，就可根据功率定出电机的额定电流与电压。
　　2.5 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2020mm（NEMA8）、2828mm（NEMA11）、3535mm（NEMA14）、3939mm（NEMA16）、4242mm（NEMA17）、5757mm（NEMA23）、8686mm（NEMA34）、110110mm（NEMA42），步进电机的机座尺寸越大输出力矩就越大。
　　3. 电机选型示例
　　3.1 需求描述
　　有一控制系统，系统总输入功率为40W，要选取一个步进电机，此电机要驱动一个2.5Nm的负载。负载的运动行程为0°~90°，定义0°为A状态，90°为B状态，要求负载从A状态运动到B状态或从B状态运动到A状态的时间为0.5s，步数为5000步。
　　3.2 电机选型
　　3.2.1 选择步进电机种类
　　由于需求中对于定位精度要求很高，因此首先选取步距角为1.8°的混合式步进电机。
　　3.2.2 确定步进电机定位精度
　　并且由于系统总输入功率不高，但负载较大，因此在混合式步进电机输出轴加装减速比为25:1的减速器，这样既可以实现高定位精度，又可以减小电机输出轴上的负载转矩，但会提高步进电机的运转速度。
　　加装减速器后，再使用4细分驱动器驱动电机，电机的步距角就变为1.8°/25/4 = 0.018°，满足5000步（90°/5000 = 0.018°）的要求。
　　3.2.3 判断需要多大力矩
　　由于加装了减速比为25:1的减速器，因此2.5Nm的负载传递到电机输出轴上后，变成了2.5Nm / 25 = 0.1Nm。因此电机的负载转矩为0.1Nm。
　　3.2.4 判断电机的运转速度
　　系统要求负载从A状态运动到B状态或从B状态运动到A状态的时间为0.5s，即0.5s内要走90°，也即0.5s负载要走0.25圈，由于加装了减速比为25:1的减速器，换算到步进电机上后，步进电机需要在0.5s内走0.25 * 25 = 6.25圈。所以电机的运行速度至少为6.25 / 0.5 = 13rps，换算后为13 * 60 = 980rpm。
　　3.2.5 参数整理
　　整理一下，我们要选一个步距角为1.8°的混合式步进电机，要求它在运转速度为980rpm时，输出力矩不低于0.1Nm，尺寸未定。
　　因此，最终选出的电机型号为：MS17HD2P4200。
　　由此电机的速度力矩曲线图可以看出，在24V，1.5A情况下，当电机的速度为1000rpm时，其转矩不低于0.1Nm，符合要求。