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。