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如何使步进电机的效率最大化?

 

很多人在使用两相步进电机时发现步进电机的转矩小,或达不到额定标称的转矩值,只好加大步进电机的尺寸和标称电流,以满足动力要求。其实有时并不是电机的问题,而是在步进电机选择或驱动器工作电流的设定上有不妥之处,没有发挥出步进电机的最大效率。
首先,从驱动器方面考虑,目前大多数两相步进电机的驱动器是采用全桥输出的四线接法,如果两相步进电机也是四线的,驱动器按照电机的标称电流设定,应该说是正确的,而且效率最高,输出转矩能够达到最大值,新型步进电机大多是这种形式的。
早期生产的步进电机,多是两相六线制的(四组两对串联线圈,每对有中心抽头),还有少量八线制的(四组两对独立线圈)。
是两相六线制步进电机有两种接法,第一种是舍弃中心抽头接两端,实际就是将每组的两个相线圈串联起来使用,电机堵转矩大和效率高些,但是高速性能差。第二种是接中心抽头和一端,这种接法电机高速性能好些,但是每相有一组线圈空闲,堵转矩小和效率低些。目前大多是采用第一种接线方法。这就出现一个问题,两相驱动器的电流到底应该设置多大正确,一般还都是按电机标称电流值来设定,这就出现了前面提到的电机效率问题。
一般步进电机标注的电流是相电流(或电阻),就是每组线圈的电流值(或电阻),如果两相六线制步进电机采用第一种接法,相当于将两组线圈串联起来,那么其每相电阻加大,额定工作电流减小,即使驱动器设置成标称电流也达不到各相的额定输出值。所以在选用驱动器和步进电机时要注意电流匹配问题,正确的方法是将驱动器的输出电流设定为步进电机额定相电流的0.7倍(也不是通常认为串联起来的电流减半)。举例,比如一个带中心抽头的两相步进电机,标称电流是3A,驱动器电流应该设定为3乘以0.7=2.1A,尽管选了3A的步进电机,实际上它的功率相当于两相四线制的2.1A步进电机。
再谈谈八线制的步进电机接法,也有两种,第一种是将每两组线圈串联使用,这样驱动器的电流也是设定为电机相电流的0.7倍,这种接法电机发热量小,但是高转速性能差些。第二种接法是将每两组线圈并联使用,驱动器的电流设定为电机相电流的1.4倍,其优点是高转速性能好些,但是电机发热量大,但是步进电机有点温度是正常的,只要低于电机的消磁温度就行,一般步进电机的消磁温度在105度左右。
在使用输出电流已经预设的步进电机驱动器(指两相全桥输出驱动器,如TB6560、A3977等高集成度驱动芯片)后,如何选用步进电机很重要,如果你的驱动器是2A的,尽量选用两相四线制2A的电机,如果选用两相六线制电机,就要选标称相电流为2 / 0.7=2.9A(大约)的电机。这样才能使驱动器的效率最大化。
如果选用的驱动器是半桥输出(如SLA7062M、SLA7026等驱动芯片)的,那只能接两相六线制电机,驱动器的电流和电机标称电流是一致的。不过这种驱动器目前很少用到,效率低。
对于六线和八线步进电机,采用相线圈并联,可以发挥最大的输出转矩,表现出很好的动力性能,六线电机是无法接成并联形式的,实际已经在内部串联起来了,串联的公共端是中心抽头。只有八线电机的相线圈是可以并联使用的。
如果能将电机后盖打开,看一下里边的接线结构,是可以进行改动的,使六线电机变成八线电机,这样就可以并联使用了,但不是所有的六线电机都能改制,只有能从电机后面看到连线接头形式的可以改动,有的电机是焊盘接头,改制就需要一定的技术了。经改制的步进电机,原来串联的也可以并联使用,并联使用时相电流是原来的1.4倍,高速运转性能大大提高,转矩也提高不少。对于步进电机和驱动器的使用,应该注意发挥其最佳效果,不必一味追求高价位和大电流,追求高速度,应该认真计算一下机器的载荷,看看到底需要多大的转矩和速度,否则即便驱动器和电机都选得很大,但是其效果并没有发挥出来,速度也不应追求过高,实际加工过程中,机器进刀量一般不大(受制于机械结构、刀具及加工材料材质),速度高了也用不上。

电机和驱动器做好匹配可以省钱省力,达到事半功倍的效果。

 

 

 

 

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