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步進電機的基本特性:靜態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)特性

文章出處:漢德保(HDB MOTOR)電機 人氣:5680發(fā)表時間:2020-12-02
步進電機的基本特性包括電機靜態(tài)特性、連續(xù)運動特性(動態(tài)特性)、電機啟動特性和電機制動特性(暫態(tài)特性)。下面分別作介紹:

靜態(tài)轉矩特性
步進電機的線圈通直流電時,帶負載轉子的電磁轉矩(與負載轉矩平衡而產生的恢復電磁轉矩稱為靜態(tài)轉矩或靜止轉矩)與轉子功率角的關系稱為角度-靜止轉矩特性,這就是電機的靜態(tài)特性。如下圖所示:
步進電機的基本特性:靜態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)特性
因為轉子為永磁體,產生的氣隙磁密為正弦分布,所以理論上靜止轉矩曲線為正弦波。此角度-靜止轉矩特性為步進電機產生電磁轉矩能力的重要指標,最大轉矩越大越好,轉矩波形越接近正弦越好。實際上磁極下存在齒槽轉矩,使合成轉矩發(fā)生畸變,如兩相電機的齒槽轉矩為靜止轉矩角度周期的4倍諧波,加在正弦的靜止轉矩上,則上圖所示的轉矩為:
TL=TMsin[(θL/θM)π/2]
其中TL與TM各表示負載轉矩和最大靜止轉矩(或稱把持轉矩),相對應的功率角為θL和θM,此位移角的變化決定了步進電機位置精度。根據上式得到:
θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)
PM型永磁步進電機和HB混合式步進電機的步距角θs在前面的課程中講過即:θs=180°/PNr,角度改為機械角度(弧度),則變成下式:
θs=π/(2Nr)
上式Nr為轉子齒數或極對數,所以兩相電機θM=θs。
負載轉矩為電磁轉矩的負載(如彈簧力或重物的提升力等),電機如要正反向運動,會產生2θL的角度偏差,要提高位置精度,θL就要小,因此,依據式θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM),應選擇最大靜止轉矩Tm大、步距角θs小的步進電機,即高分辨率電機。根據式θs=π/(2Nr)可知,要使θs越小,Nr越大越好。
另外,高分辨率的步進電機的轉子結構大致分為PM型、VR型、HB型三種,其中HB型分辨率最好。
由于PM型定子磁極為爪級結構的關系,定子磁極數的增加受到機械加工的限制。HB型轉子表面無齒,N極與S極在轉子表面交替磁化,因此極數即為極對數Nr,同樣的,轉子磁極Nr的增加也受到充磁機械的限制。VR型轉子齒數與HB型相同時,因不使用永磁體,雖有相同的Nr,但是步距角θs為HB型的2倍,并且由于無永磁磁極,最大轉矩Tm比HB型小。
當兩相步進電機外徑為42mm左右時,Nr=100齒,步距角0.9°,這 是實際使用中最高的分辨率。Nr變大,電抗也增加,則高轉速下轉矩會下降。因此,Nr=50,步距角為1.8°的電機被廣泛使用。對HB型結構,全步進狀態(tài)的步距角精度為士3%,步進電機運行角度θ=nθs,各步運行中無累積誤差,電機的速度如足夠大,盡可能提高n(θs?。蕴岣呶恢枚ㄎ痪?。

動態(tài)轉矩特性
動態(tài)轉矩特性包括驅動脈沖頻率-轉矩特性和驅動脈沖頻率-慣量特性。

脈沖頻率-轉矩特性
脈沖頻率-轉矩特性是選用步進電機的重要特性。如下圖所示,縱軸為動態(tài)轉矩(dynamic torque),橫軸取響應脈沖頻率,響應脈沖頻率用pps(pulse per second)作為單位,即每秒的脈沖數表示。

步進電機脈沖頻率-轉矩特性
如圖所示,步進電機的動態(tài)轉矩產生包括失步轉矩(pull-out-torque)和牽入轉矩(pull-in-torque)兩個轉矩。前者稱為失步或丟失轉矩,后者稱為起動或牽入轉矩。牽入轉矩范圍為從零到最大自起動脈沖頻率或最大自起動頻率區(qū)域。牽入曲線包圍的區(qū)域稱為自起動區(qū)域。電機同步進行正反轉起動運行,在牽入與失步區(qū)域之間為運轉區(qū),電機在此區(qū)域內可帶相應負載同步連續(xù)運行,超出范圍的負載轉矩將不能連續(xù)運行,出現失步現象。步進電機為開環(huán)驅動控制,其負載轉矩與電磁轉矩之間要有裕度,其值應為50%~80%。
失步轉矩與牽入轉矩在0pps時相等。隨著控制脈沖頻率的增加,帶負載能力會下降。在運行開始,控制脈沖頻率應緩慢增加,以便利用低速下的大轉矩,提供電機在低速運行時需要的加速轉矩,減少加速時間。步進電機定子線圈的電感設計的越小,最大響應脈沖頻率就越大,這樣就可將慢加速驅動變?yōu)榭旒铀衮寗舆\行。
步進電機在帶慣性負載快速起動時,須有足夠的起動加速度。因此如負載的慣量增加,則起動脈沖頻率就下降,為此,在選擇步進電機時對兩者要進行綜合考慮。
下圖縱軸為最大自起動頻率,橫軸為負載慣量,曲線表示負載慣量與最大自起動脈沖頻率之間的關系。此處以PM型爪極步進電機(兩相,步距角7.5°)為例。負載PL下,最大自起動脈沖頻率PL與負載慣量Jc的關系如下:
式中,JR步進電機轉子慣量,Ps為空載的最大自起動頻率。

暫態(tài)轉矩特性
由于步進電機轉子慣量作用,即使空載運行一步,也會產生超越角(over-shoot),并在超越角與返回角(under-shoot)之間來回振蕩,經過哀減后靜止于所定角度,此為步進電機暫態(tài)響應特性。
下圖表示步進電機的暫態(tài)特性,縱軸取轉子移動角度,橫軸為時間?!鱐為上升時間,△θ表示超越角,轉子自由靜止到設定位置的時間(通常到達步距角的士5%誤差范圍的時間)稱為穩(wěn)定時間(setting time)。
步進電機的基本特性:靜態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)特性
穩(wěn)定時間越短,快速性越好,為了加快機構的運行速度,使穩(wěn)定時間變短,步進電機的阻尼(制動)變得很重要。

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