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步進電機特性以及如何選型?

發布時間:2019-4-19 17:14:33    來源:    作者:    瀏覽:1469次

隨著控制電機重要性的增加,控制電機的使用量也逐年增加。步進電機是一種控制電機,不使用反饋回路,就能進行速度控制及定位控制,即所謂的電機開環控制。

其應用主要以處理辦公業務能力很強的OA機器和 FA機器為核心,并廣泛應用于醫療器械、計量儀器、汽車、游戲機等。就數量來講,0A機器方面的應用約占步進電機使用總數的75%。

一、步進電機原理

步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖,電機轉動一個角度,帶動機械移動一小段距離。

二、分類

電機有各種分類方式,如用電壓種類分類時,有AC驅動與DC驅 動;用旋轉速度與電源頻率關系分類時,則有同步電機和異步電機。

如下圖是步進電機在小型電機系列中的位置關系。


由上圖可知,步進電機屬于DC驅動的同步電機,但無法直接用DC或AC電源來驅動,需要配備驅動器才能使用。所以步進電機的運行需要驅動電路。此點與無刷DC電機相同,無刷DC電機要使用驅動電路,驅動電路將電機定子與DC電源連接在一起工作。

三、步進電機特性

步進電機的基本特性包括電機靜態特性、連續運動特性(動態特性)、電機啟動特性和電機制動特性(暫態特性)。下面分別作介紹:

1、靜態轉矩特性

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,這就是電機的靜態特性。如下圖所示:


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。

2、動態轉矩特性

動態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。

1)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,縱軸為動態轉矩(dynamic torque),橫軸取響應脈沖頻率,響應脈沖頻率用pps作為單位,即每秒的脈沖數表示。


如圖所示,步進電機的動態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域。牽入曲線包圍的區域稱為自起動區域。電機同步進行正反轉起動運行,在牽入與失步區域之間為運轉區,電機在此區域內可帶相應負載同步連續運行,超出范圍的負載轉矩將不能連續運行,出現失步現象。步進電機為開環驅動控制,其負載轉矩與電磁轉矩之間要有裕度,其值應為50%~80%。

2)脈沖頻率-慣量特性

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。

3、暫態轉矩特性

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,此為步進電機暫態響應特性。

下圖表示步進電機的暫態特性,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)稱為穩定時間(setting time)

穩定時間越短,快速性越好,為了加快機構的運行速度,使穩定時間變短,步進電機的阻尼(制動)變得很重要。使穩定時間變短的方法有改變摩擦或改變慣量驅動等,在后面會詳細介紹。


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