運(yùn)行速度對步進(jìn)電機(jī)選型的影響
部分用戶在步進(jìn)電機(jī)選型時(shí)，傾向于選擇高扭矩電機(jī)，他們普遍認(rèn)為高扭矩電機(jī)能帶來更好的性能表現(xiàn)。然而，僅依據(jù)保持扭矩這一單一指標(biāo)來選擇步進(jìn)電機(jī)是不恰當(dāng)?shù)摹Ｔ谀承┨囟ㄇ闆r下，高扭矩步進(jìn)電機(jī)可能并不是合適的選擇。 步進(jìn)電機(jī)的性能與其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度成正比，因此，電機(jī)內(nèi)部的高磁通量將直接導(dǎo)致更高的扭矩輸出。根據(jù)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，電機(jī)的磁通量及其所產(chǎn)生的扭矩與電機(jī)的線圈匝數(shù)及輸入電流成正比，因此有人可能會推斷增加匝數(shù)對電機(jī)性能具有積極影響。然而，并非所有應(yīng)用場景都適合增加匝數(shù)，因?yàn)檫^高的匝數(shù)可能嚴(yán)重?fù)p害電機(jī)的性能。 雖然步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下能產(chǎn)生峰值扭矩，但隨著脈沖頻率增加，繞組的電感將限制電流達(dá)到峰值，進(jìn)而降低該過程中的扭矩輸出。電感與匝數(shù)的平方成正比（L ∝ N²），這是步進(jìn)電機(jī)在較高速度下動態(tài)扭矩普遍下降的主要原因。以圖1為例。該圖展示了同一電機(jī)模型中兩個(gè)不同繞組的動態(tài)扭矩特性對比。其中，一個(gè)電機(jī)具有保持高扭矩的特點(diǎn)，而另一電機(jī)則在更高的運(yùn)行速度下展現(xiàn)出更為出色的動態(tài)扭矩性能。 
圖1：不同繞組的扭矩曲線 每個(gè)步進(jìn)電機(jī)的相繞組均具備特定的電感和電阻參數(shù)，這兩大參數(shù)直接決定了電流流經(jīng)繞組時(shí)的上升和下降時(shí)間。在理想條件下，電流階躍脈沖應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的方波，即電流能夠快速達(dá)到峰值并即刻歸零。然而，由于線圈電感和電阻的存在，實(shí)際電流隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)指數(shù)型響應(yīng)。這種響應(yīng)模式對于多數(shù)工程師而言可能已頗為熟悉，因?yàn)樗cRL串聯(lián)電路中電流的響應(yīng)特性高度相似。實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)的繞組可以精確地被建模為電阻電感電路，如圖2所示。這有助于我們深入理解電流波形的形成原理。 
圖 2：電機(jī)繞組中理想電流響應(yīng)與實(shí)際電流響應(yīng)的簡化模型 上圖中，R和L代表繞組的電阻和電感，Vs代表電源電壓。通過對電路應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，我們得到的微分方程解與時(shí)間密切相關(guān)，具體如下所述。 I(t)=(V/R)×(1-e^(-Rt/L)) 在給定電源電壓的條件下，該方程表明特定時(shí)間點(diǎn)的電流水平受繞組電阻和電感的共同影響。該方程可重寫為如下形式： I(t)=(V/R)×(1-e^(-t/τ) )，其中 τ 是 L/R，通常稱為“電”時(shí)間常數(shù) 時(shí)間常數(shù)τ大致表示電機(jī)相線圈達(dá)到其額定電流值63%所需的時(shí)間。以步進(jìn)電機(jī)為例，若其額定電流為1.00安培，則在經(jīng)過一個(gè)時(shí)間常數(shù)后，通過繞組的電流將約為0.63安培，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的扭矩僅僅達(dá)到額定值的63%。 在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，較大的時(shí)間常數(shù)對性能的影響并不明顯。因?yàn)榇藭r(shí)電流能夠迅速流經(jīng)電機(jī)線圈，使電機(jī)保持其額定扭矩。然而，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在較高速度時(shí)，電感及其導(dǎo)致的時(shí)間常數(shù)就變得尤為重要。因?yàn)樵陔娏魇┘拥较乱幌嘀埃?dāng)前相繞組可能無法達(dá)到額定電流值，這將導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的扭矩輸出降低。 
鳴志步進(jìn)電機(jī)選型工具 關(guān)于如何正確去選擇步進(jìn)電機(jī)，可以使用步進(jìn)電機(jī)選型工具（http://www.zjhhongshangm.cn/searchrobot），鳴志有針對步進(jìn)電機(jī)選型制定在線選型工具，當(dāng)然，如果需要定制，可以直接聯(lián)系產(chǎn)品經(jīng)理協(xié)助選型。
圖1：不同繞組的扭矩曲線 每個(gè)步進(jìn)電機(jī)的相繞組均具備特定的電感和電阻參數(shù)，這兩大參數(shù)直接決定了電流流經(jīng)繞組時(shí)的上升和下降時(shí)間。在理想條件下，電流階躍脈沖應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的方波，即電流能夠快速達(dá)到峰值并即刻歸零。然而，由于線圈電感和電阻的存在，實(shí)際電流隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)指數(shù)型響應(yīng)。這種響應(yīng)模式對于多數(shù)工程師而言可能已頗為熟悉，因?yàn)樗cRL串聯(lián)電路中電流的響應(yīng)特性高度相似。實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)的繞組可以精確地被建模為電阻電感電路，如圖2所示。這有助于我們深入理解電流波形的形成原理。 圖 2：電機(jī)繞組中理想電流響應(yīng)與實(shí)際電流響應(yīng)的簡化模型 上圖中，R和L代表繞組的電阻和電感，Vs代表電源電壓。通過對電路應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，我們得到的微分方程解與時(shí)間密切相關(guān)，具體如下所述。 I(t)=(V/R)×(1-e^(-Rt/L)) 在給定電源電壓的條件下，該方程表明特定時(shí)間點(diǎn)的電流水平受繞組電阻和電感的共同影響。該方程可重寫為如下形式： I(t)=(V/R)×(1-e^(-t/τ) )，其中 τ 是 L/R，通常稱為“電”時(shí)間常數(shù) 時(shí)間常數(shù)τ大致表示電機(jī)相線圈達(dá)到其額定電流值63%所需的時(shí)間。以步進(jìn)電機(jī)為例，若其額定電流為1.00安培，則在經(jīng)過一個(gè)時(shí)間常數(shù)后，通過繞組的電流將約為0.63安培，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的扭矩僅僅達(dá)到額定值的63%。 在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，較大的時(shí)間常數(shù)對性能的影響并不明顯。因?yàn)榇藭r(shí)電流能夠迅速流經(jīng)電機(jī)線圈，使電機(jī)保持其額定扭矩。然而，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在較高速度時(shí)，電感及其導(dǎo)致的時(shí)間常數(shù)就變得尤為重要。因?yàn)樵陔娏魇┘拥较乱幌嘀埃?dāng)前相繞組可能無法達(dá)到額定電流值，這將導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的扭矩輸出降低。 鳴志步進(jìn)電機(jī)選型工具 關(guān)于如何正確去選擇步進(jìn)電機(jī)，可以使用步進(jìn)電機(jī)選型工具（http://www.zjhhongshangm.cn/searchrobot），鳴志有針對步進(jìn)電機(jī)選型制定在線選型工具，當(dāng)然，如果需要定制，可以直接聯(lián)系產(chǎn)品經(jīng)理協(xié)助選型。