日期：2022-07-29 18:09:39瀏覽量：31750
步進(jìn)電機(jī)的基本特性包括電機(jī)的靜態(tài)特性、連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性(動(dòng)態(tài)特性)、電機(jī)啟動(dòng)特性和電機(jī)制動(dòng)特性(暫態(tài)特性)。下面分別介紹:
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的線圈通過直流電時(shí)，帶負(fù)載轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩（與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡產(chǎn)生的恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩或靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）與轉(zhuǎn)子功率角之間的關(guān)系稱為角度-靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性，這是電機(jī)的靜態(tài)特性。如下圖所示：
步進(jìn)電機(jī)的基本特性：靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)特性
由于轉(zhuǎn)子是永磁體，產(chǎn)生的氣隙磁密度是正弦分布，所以理論上，靜態(tài)扭矩曲線是正弦波。這個(gè)角度-靜態(tài)扭矩特性是步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生電磁扭矩能力的重要指標(biāo)。最大扭矩越大越好，扭矩波形越接近正弦越好。事實(shí)上，在磁極下有一個(gè)槽扭矩，這使得合成扭矩變形。例如，如果兩相電機(jī)的槽扭矩為靜態(tài)扭矩角度周期的4倍，并添加到正弦的靜態(tài)扭矩中，則上圖所示的扭矩為：
負(fù)載扭矩是電磁扭矩的負(fù)載(如彈簧力或重物的提升力等。).如果電機(jī)減速機(jī)一體機(jī)向前和向后移動(dòng)，將產(chǎn)生2θL提高位置精度的角度偏差，θL要小，因此，依據(jù)式θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)，應(yīng)選擇最大靜態(tài)扭矩Tm大，步距角θs小步進(jìn)電機(jī)，即高分辨率電機(jī)。θs=π/(2Nr)可知，要使θs越小，Nr越大越好。
此外，高分辨率步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大致分為PM型，VR型，HB有三種類型，其中HB類型分辨率最好。
由于PM類型定子磁極是爪級(jí)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，定子磁極的增加受到機(jī)械加工的限制。HB型轉(zhuǎn)子表面無齒，N極和S極在轉(zhuǎn)子表面交替磁化，因此極數(shù)是極對(duì)數(shù)Nr，轉(zhuǎn)子磁極也是如此Nr還受到充磁機(jī)械的限制。VR型轉(zhuǎn)子齒數(shù)和HB類型相同時(shí)，因?yàn)椴皇褂糜来朋w，雖然有相同的Nr，但是步距角θs為HB類型的2倍，并且由于沒有永磁極，最大轉(zhuǎn)矩Tm比HB型小。
兩相步進(jìn)電機(jī)外徑為42mm左右時(shí)，Nr=100齒，步距角0.9°，這是實(shí)際使用中最高的分辨率。Nr隨著電抗的增大，轉(zhuǎn)矩在高速下會(huì)下降。Nr=50，步距角為1.8°廣泛使用的電機(jī)。HB類型結(jié)構(gòu)，全步進(jìn)狀態(tài)步距角精度為3%，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行角度θ=nθs，每一步運(yùn)行中沒有累積誤差，如果電機(jī)速度足夠大，盡量提高n（θs為了提高高定位精度。
動(dòng)態(tài)扭矩特性
動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性包括驅(qū)動(dòng)脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性和驅(qū)動(dòng)脈沖頻率-慣性特性。
脈沖頻率-扭矩特性
脈沖頻率-扭矩特性是選擇步進(jìn)電機(jī)的重要特性。電機(jī)減速機(jī)一體機(jī)如下圖所示，縱軸為動(dòng)態(tài)扭矩（dynamictorque），響應(yīng)脈沖頻率用于橫軸和響應(yīng)脈沖頻率pps（pulsepersecond）作為一個(gè)單位，即每秒脈沖數(shù)表示。
步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性
如圖所示，步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩包括失步轉(zhuǎn)矩（pull-out-torque）和牽入轉(zhuǎn)矩（pull-in-torque）兩個(gè)扭矩。前者稱為失步或失去扭矩，后者稱為啟動(dòng)或牽引扭矩。牽引扭矩范圍為自啟動(dòng)脈沖頻率從零到最大或最大自啟動(dòng)頻率區(qū)域。被卷曲線包圍的區(qū)域稱為自啟動(dòng)區(qū)域。電機(jī)同步進(jìn)行正向和反向啟動(dòng)操作。牽引區(qū)和失步區(qū)之間有一個(gè)操作區(qū)域。電機(jī)可以在該區(qū)域同步連續(xù)運(yùn)行，并帶有相應(yīng)的負(fù)載。超出范圍的負(fù)載扭矩將無法連續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致失步。步進(jìn)電機(jī)由開環(huán)驅(qū)動(dòng)控制。負(fù)載扭矩和電磁扭矩之間應(yīng)有一個(gè)裕度，其值應(yīng)為50%~80%。
0pps時(shí)間是相等的。隨著控制脈沖頻率的增加，負(fù)載能力會(huì)降低。在運(yùn)行開始時(shí)，應(yīng)緩慢增加控制脈沖頻率，以便在低速運(yùn)行時(shí)提供電機(jī)所需的加速扭矩，并利用低速下的大扭矩降低加速時(shí)間。步進(jìn)電機(jī)定子線圈的電感設(shè)計(jì)越小，最大響應(yīng)脈沖頻率越大，從而將慢加速驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭旒铀衮?qū)動(dòng)。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在慣性負(fù)載下快速啟動(dòng)時(shí)，必須有足夠的電機(jī)減速機(jī)一體機(jī)啟動(dòng)加速度。因此，如果負(fù)載的慣性增加，啟動(dòng)脈沖頻率將降低。因此，在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)綜合考慮兩者。
下面的縱軸是最大自啟動(dòng)頻率，水平軸是負(fù)載慣性，曲線表示負(fù)載慣性與最大自啟動(dòng)脈沖頻率之間的關(guān)系。PM類型爪極步進(jìn)電機(jī)(兩相，步距角7.5°）為例。負(fù)載PL下降，最大自啟動(dòng)脈沖頻率PL與負(fù)載慣量Jc關(guān)系如下：
式中，JR步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，Ps最大自動(dòng)啟動(dòng)頻率為空載。
臨時(shí)扭矩特性
由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性作用，即使空載運(yùn)行一步，也會(huì)產(chǎn)生電機(jī)減速機(jī)一體機(jī)超越角度(over-shoot），并且在超越角和（under-shoot）它們之間來回振蕩，減少后靜止，這是步進(jìn)電機(jī)的暫態(tài)響應(yīng)特性。
步進(jìn)電機(jī)的暫態(tài)特性如下圖所示，縱軸取轉(zhuǎn)子移動(dòng)角度，橫軸為時(shí)間。△T為上升時(shí)間，△θ穩(wěn)定時(shí)間稱為超越角和轉(zhuǎn)子自由靜止到設(shè)定位置的時(shí)間(通常是達(dá)到步距角出租車5%誤差范圍的時(shí)間)（settingtime）。
步進(jìn)電機(jī)的基本特性：靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)特性
穩(wěn)定時(shí)間越短，速度越快，步進(jìn)電機(jī)的阻尼(制動(dòng))對(duì)于加快機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，縮短穩(wěn)定時(shí)間非常重要。
