步進電機的主要特性與基本特性

現(xiàn)在制造工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，到處都離不開步進電機，步機電機的生產(chǎn)程序是一項非常繁瑣的事情，要求生產(chǎn)制造人員不僅要對機械、電機行業(yè)了解，還涉及到了許多電子與計算機方面的知識，步進電機主要是通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。要是片面從電流來考慮如何配驅(qū)動器，那肯定是不合適的。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，所以用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。

步進電機的主要特性

1 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動型號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。

2 騰龍版步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個脈沖完成。

3 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。

4 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。

因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設(shè)備都以步進電機為動力核心。

步進電機的基本特性 一、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

步進電機的線圈通直流電時，帶負載轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩（與負載轉(zhuǎn)矩平衡而產(chǎn)生的恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩或靜止轉(zhuǎn)矩）與轉(zhuǎn)子功率角的關(guān)系稱為角度-靜止轉(zhuǎn)矩特性，這就是電機的靜態(tài)特性。如下圖所示：

因為轉(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生的氣隙磁密為正弦分布，所以理論上靜止轉(zhuǎn)矩曲線為正弦波。此角度-靜止轉(zhuǎn)矩特性為步進電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩能力的重要指標，最大轉(zhuǎn)矩越大越好，轉(zhuǎn)矩波形越接近正弦越好。實際上磁極下存在齒槽轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩發(fā)生畸變，如兩相電機的齒槽轉(zhuǎn)矩為靜止轉(zhuǎn)矩角度周期的4倍諧波，加在正弦的靜止轉(zhuǎn)矩上，則上圖所示的轉(zhuǎn)矩為：

TL=TMsin［（θL/θM）π/2］

其中TL與TM各表示負載轉(zhuǎn)矩和最大靜止轉(zhuǎn)矩（或稱把持轉(zhuǎn)矩），相對應(yīng)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(jù)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(zhuǎn)子齒數(shù)或極對數(shù)，所以兩相電機θM=θs。

負載轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)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(chǎn)生2θL的角度偏差，要提高位置精度，θL就要小，因此，依據(jù)式θL=（2θM/π）arcsin（TL/TM），應(yīng)選擇最大靜止轉(zhuǎn)矩Tm大、步距角θs小的步進電機，即高分辨率電機。根據(jù)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的關(guān)系，定子磁極數(shù)的增加受到機械加工的限制。HB型轉(zhuǎn)子表面無齒，N極與S極在轉(zhuǎn)子表面交替磁化，因此極數(shù)即為極對數(shù)Nr，同樣的，轉(zhuǎn)子磁極Nr的增加也受到充磁機械的限制。VR型轉(zhuǎn)子齒數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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?。?，以提高位置定位精度。

二、動態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

動態(tài)轉(zhuǎn)矩特性包括驅(qū)動脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性和驅(qū)動脈沖頻率-慣量特性。

1、脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性

脈沖頻率-轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩（dynamic torque），橫軸取響應(yīng)脈沖頻率，響應(yīng)脈沖頻率用pps（pulse per second）作為單位，即每秒的脈沖數(shù)表示。

如圖所示，步進電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生包括失步轉(zhuǎn)矩（pull-out-torque）和牽入轉(zhuǎn)矩（pull-in-torque）兩個轉(zhuǎn)矩。前者稱為失步或丟失轉(zhuǎn)矩，后者稱為起動或牽入轉(zhuǎn)矩。牽入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)起動運行，在牽入與失步區(qū)域之間為運轉(zhuǎn)區(qū)，電機在此區(qū)域內(nèi)可帶相應(yīng)負載同步連續(xù)運行，超出范圍的負載轉(zhuǎn)矩將不能連續(xù)運行，出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進電機為開環(huán)驅(qū)動控制，其負載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩之間要有裕度，其值應(yīng)為50%~80%。

失步轉(zhuǎn)矩與牽入轉(zhuǎn)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(yīng)緩慢增加，以便利用低速下的大轉(zhuǎn)矩，提供電機在低速運行時需要的加速轉(zhuǎn)矩，減少加速時間。步進電機定子線圈的電感設(shè)計的越小，最大響應(yīng)脈沖頻率就越大，這樣就可將慢加速驅(qū)動變?yōu)榭旒铀衮?qū)動運行。

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(guān)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(guān)系如下：

式中，JR步進電機轉(zhuǎn)子慣量，Ps為空載的最大自起動頻率。

3、暫態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

由于步進電機轉(zhuǎn)子慣量作用，即使空載運行一步，也會產(chǎn)生超越角（over-shoot），并在超越角與返回角（under-shoot）之間來回振蕩，經(jīng)過哀減后靜止于所定角度，此為步進電機暫態(tài)響應(yīng)特性。

下圖表示步進電機的暫態(tài)特性，縱軸取轉(zhuǎn)子移動角度，橫軸為時間?！鱐為上升時間，△θ表示超越角，轉(zhuǎn)子自由靜止到設(shè)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）。

穩(wěn)定時間越短，快速性越好，為了加快機構(gòu)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。