步进电机的最大功率及可用功率算法(免费)

电机论文：步进电机的最大可用功率

2012年11月11日

步进电机的最大可用功率

王宗培1，韩光鲜1，任 雷2，程 智2

(1．哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2．珠海运控电机有限公司，广东 珠海 519001)

摘要：讨论了步进电动机能输出多大功率的问题，通过理论分析和实验研究，给出步进电动机最大可用输出功率的简单关系式，表明它主要取决于电动机的综合参数（ke/Zr）和配套驱动器的功放级电压(VDC)，对正确选用步进电动机驱动单元很有用。

关键词：步进电动机；混合式步进电动机；牵出特性；可用功率

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1001-6848(2000)04-0003-03

1 引 言

不论常规的电动机（交流电动机和直流电动机）、调速电动机或伺服电动机等，都有标明的额定转速和额定功率，用户按照负载的要求和传动机构，选用不同额定转速和功率的电动机较为简单。

步进电动机较为特殊，铭牌上或产品说明书上主要标明的技术数据为：保持转矩、静态相电流和整步步距角等。这对于主要熟悉按功率和转速选用的电机的用户，可能会有些茫然。

本文对步进电动机的功率、转速进行分析和讨论，并给出实际的例子，使对所述问题有明确的概念和认识，有利于正确选用步进电动机驱动单元。

2 最大电磁功率

步进电动机铭牌上不标明转速和功率有一定的道理，主要原因是它并没有限定驱动器的形式，也没有规定的工作电压。也就是说，它可以配以不同形式功放级电压等级的驱动器，在一起组成一定的步进驱动单元，才有确定的运行特性，一定的转范围和输出功率。现代最有代表性应用最广泛的是二相混合式步进电动机配套电流控制驱动器的组合单元，选作本文讨论的具体对象[1]。

电流波形控制的步进驱动单元，在频率较低时，相电流波形受到控制，与给定电流波形一致，电磁转矩也保持一走，不随控制脉冲频率上升而改变。相电流的波形控制，是对绕组中的电流取样并与参考电流讯号比较，一旦绕组中的电流超过参考电，流，电流控制器便输出斩波关断讯号，使绕组电流跟随参考电流变化。同时由于斩波控制使绕组的端电压实际上低于功放级电压。实际上绕组端电压等于绕组内旋转电压与电抗压降的合成。随着控制脉冲频率的上升，旋转电压与转速成正比增大，电流不变时电抗压降也与频率成正比增大，绕组端电压也随着增大。一旦绕组端电压与功放级电压相一致，继续提高频率或转速时，绕组端电压不可能超过功放级电压，旋转电压随转速成正比增大不能改变，从电路平衡的角度容易看出，绕组电流必然下降，小于给定值。

控制脉冲频率超过某一临界值（fk）后，绕组的电流便小于给定值，不再受控。电流控制器不再输出斩波关断信号，在环分信号作用下绕组端电压为幅值等于功放级电压的交变电压，从定电流的驱动系统变成一个定电压的驱动系统。这时，电动机的电磁功率近似地可按同步电动机考虑为：

分析表明，电动机的最大电磁功率，在电流可控的频段内，随频率升高而增大。进入电流不可控的频段，变成定电压工作状态以后，最大电磁功率如式(6)所示，成为一个不随转速变化的恒定值。这个频段的起始频率，可以用下列关系式求出：(1)刚刚进入不可控频段，电流值还没有减小，仍保持给定值(/N)。(2)屯压由功放级电压决定为VO。(3)端电压与旋转电压相量间的夹角（失调角）为90度（电角度）。电压电流相量关系如图1所示。由图1可得：

3 最大牵出功率

电动机的电磁转矩减去机械摩擦——轴承摩擦及转动部分与空气的摩擦损耗转矩，减去铁损耗——磁滞和涡流损耗转矩，减去电磁阻尼及杂散损耗转矩等，等于输出转矩(TL)。相应电磁功率(P。)减去这些损耗后等于输出功率，最大电磁功率

可见，牵出功率随转速的变化规律大体上与最大电磁功率相似。在f≤fk的频段内，随厂上升而增大；在f≥fk时随厂上升丽近似不变。应指出的是，∑p随转速升高有增大的趋势，所以牵出功率在f≥后不会保持恒定值的特性，而是达到一最大值后咯有下降。

图2是实测的牵出矩频特性，和相应的牵出功率特性的例子。被试步进驱动单元是珠海运控电机有限公司生产的86BH250C (6)型二相混合式步进电动机及MC - 21812N型驱动器。电动机的有关参数为：0. 888V．s1=7.OmH，Z．-50。实测时的条件是：半步方式运行，0.9度；功放级电压大约为VDC=140V；给定峰值电流Ipk=6A。代入式(6)和（8)计算应有：

实测牵出功率最大值：

同一驱动单元，功放级电压改成大约为VDC =180v，实测的牵出矩频特性如图3所示，也给出了相应的牵出功率特性，从特性可得实际最大牵出功率时，最大电磁功率(P。m)和临界频率(fk)也相应提高。 实例证实，最大牵出功率发生在稍高于临界频率处，它的值比理论分析的最大电磁转矩小一些。由于各种损耗引起的转矩和功率减少很难用分析法定量。本文的实例有一定典型性，不妨近似地认为：

4 步进电动机的可用功率

步进电动机的牵出矩频特性，与常规电动机的机械特性不一样，它提供的是相应频率（或转速）下输出转矩的极限值，决不代表实际能带的负载，带动实际负载稳定工作必需有足够的储备或过载能力，用牵出转矩(Tp_0)与负载转矩(TL)的比值表示：

电动机的输出功率也不可能在达到最大牵出功率的情况下稳定工作。电动机的最大可用功率：

考虑到式(11)，如取是的折衷值k=l.4，得：

相应的转速对应f= fk稍高的频段。式(14)表明，电动机的可用功率取决于电动机的综合参数及配套驱动器的功放电压。对于确定的电动机，其可用功率与所选的功放电压成正比。以

,

作曲线如图4(1)所示。同样外形尺寸，改变绕纽的另1台电动机86BH250C (3)。可用功率与功放级电压的关系如图4中(2)所示。

5 结 论

(1)与最大牵出功率相对应，给出步进电机最大可用功率的概念。

(2)最大可用功率主要取决于电动机的综合参数和配套驱动器的功放级电压(VDC)。

(3)1台电动机参数固定的情况下，最大可用功率与驱动器功放级电压近似成正比关系。

参考文献：

[1]王宗培，程智，任雷．新型二相混合式步进电动机系统[J]．微电机，1998(2)：3～6．

[2]王宗培．微电机原理（中册）[M].科学出版社，1989.

作者简介：王宗培(1932-)，男，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，长期从事电机及其驱动控制的教学与研究，发表论文200余篇，出版教材及专著6部。