步进电机扭矩基础

步进电机将一个完整的旋转分为若干相等的步长，对许多工业电机和运动控制应用非常重要．电机的位置可以引起移动和保持在这些步骤之一，只要电机是仔细的大小，以应用的扭矩和速度。保持扭矩是一个测量多少旋转力是需要迫使一个静止的步进电机轴离开位置。保持转矩(T)是电机转矩常数(KT)和施加在定子绕组上的电流(i)的乘积。

T = KTi

在大多数应用中，电子驱动器控制步进电机。他们采用脉宽调制(PWM)技术来监测定子电流，并施加适当的电压来实现所需的电流和转矩。当电机静止时，驱动器只需要使用足够的电压来克服定子线圈(也称为电机相位)的电阻。这是由欧姆定律描述的，该定律计算电压为电流(安培)乘以电阻(欧姆)。如果电压增加，电流也增加，但如果电阻增加，电流就减少。

V =红外

因为大多数高性能步进电机具有低相阻，驱动器不需要太多的电源电压来保持电机的位置。在实际应用中，电机不会永远静止不动;它是用来搬运货物的。以特定速度移动物体需要在该速度下有动态力矩。步进电机不会立即从静止变为给定的速度。它们必须加速，就像汽车在驾驶员踩下油门踏板时逐渐加速一样。使汽车加速需要更多的汽油。步进电机是类似的，遵循著名的牛顿定律F = ma。下面是牛顿定律用转动项表示的公式，其中扭矩(T)与转子、负载惯性(J)和角加速度(A)成正比:

T =是

为了处理更重的负载或更快地加速，需要更多的扭矩。然而，步进电机的动态转矩随着速度的增加而减小，因为当电机开始运动时，它变成了一个发电机。当转子的磁场在定子线圈之间移动时，电机端子上就会出现电压。驱动器必须向电机施加额外的电压以克服这种电压，称为反电动势，反电动势是电机速度(w)和电压常数(KE)的乘积。同样，定子线圈，像所有的线圈一样，有电感来抵抗电流的变化。当定子电流改变以保持转子转动时，必须使用更多的电压来克服电感(L)。运动中的电机电压方程为:

V = KEώ + iR + L(di/dt)

PWM驱动器将增加施加到步进电机的电压，以保持电流和扭矩恒定。在一定的速度下，电源将没有足够的电压，电机电流将开始下降。转矩随电流而下降。如果使用更高的电压电源，动态扭矩保持平稳，以更高的速度(见图1)。

确定应用程序大小的过程包括计算移动负载所需的扭矩和速度范围。例如，如果应用程序需要80盎司。扭矩高达10转/秒(rps)，该电机可以使用24v电源(见图2)。

如果我们需要走得更远更快，一个可能会加速到80盎司英寸。在20个奢望。步进电机需要48v电源(见图3)。

埃里克·赖斯应用工程师在哪里应用运动产品．他在运动控制行业工作了20年，专注于步进电机、伺服电机、驱动和控制。他拥有伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)电气工程学位。

这篇文章发表在应用自动化补充的控制工程和设备工程．

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