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摘要：为了分析步进电机及其驱动电路的功耗，提高步进电机及其驱动电路的能量转换效率，本文利用计算机数值计算的方法，对其数学模型进行模拟计算试验。以美蓓亚混合步进电机10PM-K013B的规格参数建立步进电机的数学模型，通过试验不同的驱动电压和脉冲频率，得到能量转换效率与驱动电压和脉冲频率的关系。试验结果表明，步进电机及其驱动电路的能量转换效率随着驱动电压降低和脉冲频率升高而升高通过合理选择驱动电压和脉冲频率，可以使能量转换效率从20%左右提高到50%左右.
关键词：步进电机；驱动电路；功耗
1.前言
步进电机能在开环控制中提供精确的位置驱动，价格便宜、免维护，扭矩大无需减速箱驱动有利于减小设备体积，所以在工业装备、消费电子、医疗器械等方面得到广泛的应用[1][2][3]。但其能量转换效率不高发热量大，在极低速和高速转动时尤为明显。随着步进电机在一些微型的以电池为供电电源的设备中应用越来越广泛，步进电机的生产者和使用者都越来越迫切的提高步进电机的能量转换效率[4][5][6]。随着异步电机的伺服驱动发展越来越快，步进电机的应用优势越来越小，所有很有必要通过分析研究提高步进电机效率。
本文建立了步进电机的数学模型，用当前流行的恒流驱动电路驱动电机，通过改变数学模型的参数，分析不同参数对步进电机运行效率的影响，为提高步进电机功率提供理论参考。
2.步进电机数学模型及驱动电路
步进电机是一个复杂的机械电气系统，即使人们已经对机械力学和电磁学有成熟的研究，但对步进电机的动态特性建立精确的数学模型对于当前的研究水平来说还是过于复杂。本文在建立步进电机数学模型以及驱动电路数学模型的过程中会作合理的简化。
2.1步进电机数学模型
对步进电机的机械及电气部分进行适当的简化，建立其数学模型。其中将其电气模块部分等效为与步进电机拓扑特性相同的等效电路，等效电路假设磁路是线性的，不饱和，相间互感忽略不计。机械系统则简化为一个带惯性扭矩和粘滞阻尼效果的数学模型。
对于混合步進电机，电阻Ra和电感La（θ）分别代表步进电机其中一相的电阻和电感。由于混合步进电机具有较大的气隙，可以忽略其相电感与转动角度的关系。
2.2恒流驱动电路
恒流驱动是把步进电机的绕组电流值通过反馈电阻转化为一定比例的电压值，根据与预设的电流值比较结果来控制功率管的开关，从而达到电流控制目的。该驱动电路比较复杂，功率管开关频率较高，元件易老化，但相对于恒压驱动，其驱动速度和噪声比较小，可以采用较高细分驱动，是应用比较广泛的驱动控制方法。
Rf1和Rf2为串联于绕组上的反馈电阻，P1和P2为根据设定的相电流大小脉冲幅度经过调制的脉冲信号，电阻上的电压值与脉冲信号相减后通过施密特触发器U1和U2形成高频开关信号控制开关功率管，从而使通过绕组的相电流控制在预设值附近。由于步进电机在转动时可能会产生较大的反向电动势，该电压甚至大于驱动电压，从而形成一反向电流对驱动电路的电源造成损坏，所以通常串联功率二极管D1和D2阻止反向电流流向驱动电路电源，作电路保护作用。
3.参数试验试验及结果
为了改善步进电机的效率，需要分析各种参数对步进电机能量转换效率的影响。本文利用前面建立的数序模型对步进电机及其驱动电路进行数值模拟计算试验。当步进电机的设计及使用人员期望降低步进电机的功耗时，可以根据相关的试验结果调整步进电机的各个参数，从而实现电机效率的提高。本文分析驱动电压、相电感以及电机转速对电机功耗和效率的影响，其中驱动电压可以由步进电机驱动电路设计人员和使用人员进行调整，相电感可以有步进电机设计人员进行调整，转速的调整则可以由设备设计人员根据设备需要的最终转速来调整设备减速机构的减速比来实现。
3.1驱动电压变化对功耗的影响
以美蓓亚混合步进电机10PM-K013B的规格参数建立步进电机的数学模型。该电机参数如下，在该电机参数的基础上进行计算，考察驱动电压变化对功耗的影响。
步进电机随着转速的提高，其反电动势越大，所需的驱动电压就越高，对于某一驱动电压，将其能驱动负载转动的最大脉冲频率称为极限脉冲频率。测试结果显示当驱动电压小于20V时，极限脉冲频率极速下降；驱动电压大于30V极限脉冲频率随着电压的升高缓慢加大，但变化不明显。当脉冲频率不变时，步进电机输出功率不会因为驱动电压的升高而升高；随着驱动电压的升高驱动电路与步进电机的效率不断下降，在驱动电压小于20V时，其能量转换效率随着电压降低快速升高，驱动电压大于20V时，随着驱动电压的升高，其能量转换效率变化不大。
3.2输出转速对电机效率的影响
通过利用数学模型进行分析计算可知，随着脉冲频率的升高，电源的输入功率变化不大，电机输出功率随着脉冲频率升高而升高。驱动电路和步进电机的能量转换效率随着脉冲频率的升高而升高。
4.结论与展望
本文建立了混合步进电机及其驱动电路的数学模型，并对各部分的功耗进行了分析，为在使用步进电机的过程中达到节能的目标提供理论参考。通过前文的试验结果可知，步进电机及其驱动电路的能量转换效率随着驱动电压降低和脉冲频率升高而升高，通过合理选择驱动电压和脉冲频率，可以使能量转换效率从20%左右提高到50%左右.
利用数学模型对步进电机及其驱动系统进行计算机数值模拟试验大大节省了试验时间和成本，希望能通过该方法进一步研究提高步进电机能量转换效率的方法，为步进驱动程序，驱动电路以及步进电机的设计提供参考。
参考文献：
[1]周黎，杨世洪，高晓东. 步进电机控制系统建模及运行曲线仿真[J]. 电机与控制学报，2011，01：20-25.
[2]陈志聪. 步进电机驱动控制技术及其应用设计研究[D].厦门大学，2008.
[3]范超毅，范巍. 步进电机的选型与计算[J]. 机床与液压，2008，05：310-313+324.
[4]董晓庆，黄杰贤，张顺扬. 步进电机驱动器的关键技术研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2008，06：14-17.
[5]高琴，刘淑聪，彭宏伟. 步进电机控制系统的设计及应用[J]. 制造业自动化，2012，01：150-152.
[6]赵晗. 步进电机集成式驱动器的设计[D].哈尔滨工业大学，2006.
关键词：步进电机；驱动电路；功耗
1.前言
步进电机能在开环控制中提供精确的位置驱动，价格便宜、免维护，扭矩大无需减速箱驱动有利于减小设备体积，所以在工业装备、消费电子、医疗器械等方面得到广泛的应用[1][2][3]。但其能量转换效率不高发热量大，在极低速和高速转动时尤为明显。随着步进电机在一些微型的以电池为供电电源的设备中应用越来越广泛，步进电机的生产者和使用者都越来越迫切的提高步进电机的能量转换效率[4][5][6]。随着异步电机的伺服驱动发展越来越快，步进电机的应用优势越来越小，所有很有必要通过分析研究提高步进电机效率。
本文建立了步进电机的数学模型，用当前流行的恒流驱动电路驱动电机，通过改变数学模型的参数，分析不同参数对步进电机运行效率的影响，为提高步进电机功率提供理论参考。
2.步进电机数学模型及驱动电路
步进电机是一个复杂的机械电气系统，即使人们已经对机械力学和电磁学有成熟的研究，但对步进电机的动态特性建立精确的数学模型对于当前的研究水平来说还是过于复杂。本文在建立步进电机数学模型以及驱动电路数学模型的过程中会作合理的简化。
2.1步进电机数学模型
对步进电机的机械及电气部分进行适当的简化，建立其数学模型。其中将其电气模块部分等效为与步进电机拓扑特性相同的等效电路，等效电路假设磁路是线性的，不饱和，相间互感忽略不计。机械系统则简化为一个带惯性扭矩和粘滞阻尼效果的数学模型。
对于混合步進电机，电阻Ra和电感La（θ）分别代表步进电机其中一相的电阻和电感。由于混合步进电机具有较大的气隙，可以忽略其相电感与转动角度的关系。
2.2恒流驱动电路
恒流驱动是把步进电机的绕组电流值通过反馈电阻转化为一定比例的电压值，根据与预设的电流值比较结果来控制功率管的开关，从而达到电流控制目的。该驱动电路比较复杂，功率管开关频率较高，元件易老化，但相对于恒压驱动，其驱动速度和噪声比较小，可以采用较高细分驱动，是应用比较广泛的驱动控制方法。
Rf1和Rf2为串联于绕组上的反馈电阻，P1和P2为根据设定的相电流大小脉冲幅度经过调制的脉冲信号，电阻上的电压值与脉冲信号相减后通过施密特触发器U1和U2形成高频开关信号控制开关功率管，从而使通过绕组的相电流控制在预设值附近。由于步进电机在转动时可能会产生较大的反向电动势，该电压甚至大于驱动电压，从而形成一反向电流对驱动电路的电源造成损坏，所以通常串联功率二极管D1和D2阻止反向电流流向驱动电路电源，作电路保护作用。
3.参数试验试验及结果
为了改善步进电机的效率，需要分析各种参数对步进电机能量转换效率的影响。本文利用前面建立的数序模型对步进电机及其驱动电路进行数值模拟计算试验。当步进电机的设计及使用人员期望降低步进电机的功耗时，可以根据相关的试验结果调整步进电机的各个参数，从而实现电机效率的提高。本文分析驱动电压、相电感以及电机转速对电机功耗和效率的影响，其中驱动电压可以由步进电机驱动电路设计人员和使用人员进行调整，相电感可以有步进电机设计人员进行调整，转速的调整则可以由设备设计人员根据设备需要的最终转速来调整设备减速机构的减速比来实现。
3.1驱动电压变化对功耗的影响
以美蓓亚混合步进电机10PM-K013B的规格参数建立步进电机的数学模型。该电机参数如下，在该电机参数的基础上进行计算，考察驱动电压变化对功耗的影响。
步进电机随着转速的提高，其反电动势越大，所需的驱动电压就越高，对于某一驱动电压，将其能驱动负载转动的最大脉冲频率称为极限脉冲频率。测试结果显示当驱动电压小于20V时，极限脉冲频率极速下降；驱动电压大于30V极限脉冲频率随着电压的升高缓慢加大，但变化不明显。当脉冲频率不变时，步进电机输出功率不会因为驱动电压的升高而升高；随着驱动电压的升高驱动电路与步进电机的效率不断下降，在驱动电压小于20V时，其能量转换效率随着电压降低快速升高，驱动电压大于20V时，随着驱动电压的升高，其能量转换效率变化不大。
3.2输出转速对电机效率的影响
通过利用数学模型进行分析计算可知，随着脉冲频率的升高，电源的输入功率变化不大，电机输出功率随着脉冲频率升高而升高。驱动电路和步进电机的能量转换效率随着脉冲频率的升高而升高。
4.结论与展望
本文建立了混合步进电机及其驱动电路的数学模型，并对各部分的功耗进行了分析，为在使用步进电机的过程中达到节能的目标提供理论参考。通过前文的试验结果可知，步进电机及其驱动电路的能量转换效率随着驱动电压降低和脉冲频率升高而升高，通过合理选择驱动电压和脉冲频率，可以使能量转换效率从20%左右提高到50%左右.
利用数学模型对步进电机及其驱动系统进行计算机数值模拟试验大大节省了试验时间和成本，希望能通过该方法进一步研究提高步进电机能量转换效率的方法，为步进驱动程序，驱动电路以及步进电机的设计提供参考。
参考文献：
[1]周黎，杨世洪，高晓东. 步进电机控制系统建模及运行曲线仿真[J]. 电机与控制学报，2011，01：20-25.
[2]陈志聪. 步进电机驱动控制技术及其应用设计研究[D].厦门大学，2008.
[3]范超毅，范巍. 步进电机的选型与计算[J]. 机床与液压，2008，05：310-313+324.
[4]董晓庆，黄杰贤，张顺扬. 步进电机驱动器的关键技术研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2008，06：14-17.
[5]高琴，刘淑聪，彭宏伟. 步进电机控制系统的设计及应用[J]. 制造业自动化，2012，01：150-152.
[6]赵晗. 步进电机集成式驱动器的设计[D].哈尔滨工业大学，2006.