高速运行步进电机
高速步进电机操作的物理原理的简化概述
步进电机是高极数直流电机，由直流脉冲序列驱动。机械设计人员经常根据最大电机额定转速(通常为3000 rpm)以及电机转矩与速度的关系曲线来创建设计为以相对较高的rpm使用步进电机的系统。不幸的是，它们然后常常难以实现高电动机速度。造成这种情况的原因通常是它们没有将电动机与适当的驱动器配对。
在图1中，可以看到，向步进电机提供更高的电压脉冲将电机曲线向上和向外推动，特别是在较高速度下。电机线圈具有电感和电阻，并且电感可抵抗电流变化。电动机线圈的时间常数由其电阻和电感决定，tau = L / R，亨利斯的L(电感)和欧姆的R(电阻)。L / R以秒为单位。经过这段时间后，线圈已充电或放电了其最终值的63%。在低脉冲频率下，线圈有足够的时间充电至额定电流。由于转矩与电流成正比，因此，如果额定电流流入线圈，则电动机可以根据其转矩与速度的关系曲线产生额定转矩。但是，随着脉搏频率的增加，线圈没有足够的时间充电到其额定值。如果线圈无法充电到其额定值，扭矩将减小。最终，随着脉冲率的增加，扭矩产生进一步减小，直到最终几乎零电流可以注入绕组并且扭矩产生基本上为零。
当使用较高的电压脉冲驱动电动机时，可以增加电流上升。电压作为压力以迫使电流以更快的速度进入绕组。当电流以陡峭的速度上升时，可以在较短的时间内达到额定电流值。因此，提高电压会比降低电压提供更多电流，尤其是随着脉冲频率的增加。高脉冲速率下的较高电流会在高速下转化为较高的转矩。步进电机有两种类型的驱动器可用于实现更高的速度。
左/右驱动器
L / R驱动器增加驱动器电压，同时保持流向电动机的电流等于或低于额定电流。如果将电流增加到额定电流以上，则电动机将变得非常热，因为加热功率为I2R。假设有一个额定电压为6 VDC，1 A和6Ω的电动机。如果仅向电动机提供6V的额定电压，则电动机的性能将最低(6VDC /6Ω= 1 AMP)。但是，如果将一个外部6Ω外部电阻与绕组串联放置，则每相的总电阻将增加到12Ω。通过6VDC信号，电动机将仅接收0.5安培的电流。因此，通过6Ω外部电阻，我们现在可以将驱动器电压提高到12 VDC，因为I = 12V / 12 = 1 amp是额定电流。由于电路电感L基本上相同，电路电阻L 使电路时间常数L / R减小一倍，绕组中的电流将更快地上升。因此，扭矩与速度的关系曲线将以较高的速度推出。此外，假设我们将外部电阻增加到18。现在，总电阻为24Ω，并且使用12 VDC电源，电动机将仅获得0.5安培的电流。因此，我们可以将驱动器电压提高到24 VDC，因为I = 24 D / 24Ω= 1安培，这再次是额定电流。由于电路时间常数L / R进一步减小，因此转矩/速度曲线将被进一步推出。L / R驱动器的有效之处在于它增加了高速转矩。实施起来也相对简单。但是，由于通过附加电阻的放置电流会增加功率损耗，因此效率低下。
PWM(斩波器)驱动器
在PWM或斩波器驱动器中，施加高电压以使电压以陡峭的速率上升。一旦驱动器检测到电流已达到某个额定值，就将关闭电源。当电流水平降至某个设定点以下时，高电压将再次打开。高斩波电流将关闭并打开，以维持一些额定电流值。驱动器的斩波频率越高，电动机的高速性能越好。如果斩波频率在可听范围内，则斩波驱动器将产生声音。某些驱动器设计为在35 kHz至50 kHz的范围内斩波，超出了人类的听力范围。同样，虽然高斩波电压可提高高速性能，但由于电动机中的涡流损耗，它们也会增加电动机的发热。在高斩波电压下
直流电源电压较高的来源
L / R驱动器或PWN(斩波器)驱动器需要外部电源来提供适当的输入(总线)直流电压。大多数驱动器只是将提供的任何直流母线电压转换为大约相同电压的脉冲序列。步进电机通常需要40伏特以上的脉冲才能达到其转矩-速度曲线的高速端。许多控制系统都有24VDC可用，但不增加直流电压就没有增加专用的直流电源。
占空比和步进电机
步进电机的效率不是很理想，因此某些电能会转化为热量。即使最大电流保持不变，由于涡流损耗，在更高的电压下运行步进电机也会增加电机发热。加热与电动机速度和电源电压的关系比与电动机负载的关系更紧密。步进电机通常在运行约30至45分钟后达到最高温度。确定应用程序的占空比时必须考虑这一点。如果您操作电动机30秒钟，然后使其闲置30秒钟，则占空比为50%。10分钟关闭和10分钟打开也是50%的占空比。但是，开一小时和关一小时会产生100%的占空比，因为在第一个小时内电动机将达到其全温度。电动机的实际温度取决于通过传导，对流和辐射将多少热量传递出电动机。许多制造商(在美国)在40 C(104ºF)的环境中测量其电动机温度，并对电动机进行相应的评级。根据电机的环境，您可能需要减少步进电机的占空比，尤其是在高速运行的情况下。
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