步進(jìn)電機(jī)的基本特性:靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)特性
文章出處:漢德保(HDB MOTOR)電機(jī) 人氣:5700發(fā)表時(shí)間:2020-12-02
步進(jìn)電機(jī)的基本特性包括電機(jī)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)。下面分別作介紹:
靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
步進(jìn)電機(jī)的線圈通直流電時(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(jī)的靜態(tài)特性。如下圖所示:
因?yàn)檗D(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(jìn)電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩能力的重要指標(biāo),最大轉(zhuǎn)矩越大越好,轉(zhuǎn)矩波形越接近正弦越好。實(shí)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(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜止轉(zhuǎn)矩(或稱把持轉(zhuǎn)矩),相對(duì)應(yīng)的功率角為θL和θM,此位移角的變化決定了步進(jìn)電機(jī)位置精度。根據(jù)上式得到:
θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)
PM型永磁步進(jìn)電機(jī)和HB混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角θs在前面的課程中講過(guò)即:θs=180°/PNr,角度改為機(jī)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(duì)數(shù),所以兩相電機(jī)θM=θs。
負(fù)載轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩的負(fù)載(如彈簧力或重物的提升力等),電機(jī)如要正反向運(yùn)動(dòng),會(huì)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(jìn)電機(jī),即高分辨率電機(jī)。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(jìn)電機(jī)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(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系,定子磁極數(shù)的增加受到機(jī)械加工的限制。HB型轉(zhuǎn)子表面無(wú)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(duì)數(shù)Nr,同樣的,轉(zhuǎn)子磁極Nr的增加也受到充磁機(jī)械的限制。VR型轉(zhuǎn)子齒數(shù)與HB型相同時(shí),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(wú)永磁磁極,最大轉(zhuǎn)矩Tm比HB型小。
當(dāng)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變大,電抗也增加,則高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩會(huì)下降。因此,Nr=50,步距角為1.8°的電機(jī)被廣泛使用。對(duì)HB型結(jié)構(gòu),全步進(jìn)狀態(tài)的步距角精度為士3%,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行角度θ=nθs,各步運(yùn)行中無(wú)累積誤差,電機(jī)的速度如足夠大,盡可能提高n(θs?。?,以提高位置定位精度。
動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)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-慣量特性。
脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性
脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性是選用步進(jìn)電機(jī)的重要特性。如下圖所示,縱軸為動(dòng)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。
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)矩產(chǎn)生包括失步轉(zhuǎn)矩(pull-out-torque)和牽入轉(zhuǎn)矩(pull-in-torque)兩個(gè)轉(zhuǎn)矩。前者稱為失步或丟失轉(zhuǎn)矩,后者稱為起動(dòng)或牽入轉(zhuǎn)矩。牽入轉(zhuǎn)矩范圍為從零到最大自起動(dòng)脈沖頻率或最大自起動(dòng)頻率區(qū)域。牽入曲線包圍的區(qū)域稱為自起動(dòng)區(qū)域。電機(jī)同步進(jìn)行正反轉(zhuǎn)起動(dòng)運(yùn)行,在牽入與失步區(qū)域之間為運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū),電機(jī)在此區(qū)域內(nèi)可帶相應(yīng)負(fù)載同步連續(xù)運(yùn)行,超出范圍的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將不能連續(xù)運(yùn)行,出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)為開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)控制,其負(fù)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(shí)相等。隨著控制脈沖頻率的增加,帶負(fù)載能力會(huì)下降。在運(yùn)行開(kāi)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(jī)在低速運(yùn)行時(shí)需要的加速轉(zhuǎn)矩,減少加速時(shí)間。步進(jìn)電機(jī)定子線圈的電感設(shè)計(jì)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(dòng)變?yōu)榭旒铀衮?qū)動(dòng)運(yùn)行。
步進(jìn)電機(jī)在帶慣性負(fù)載快速起動(dòng)時(shí),須有足夠的起動(dòng)加速度。因此如負(fù)載的慣量增加,則起動(dòng)脈沖頻率就下降,為此,在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)對(duì)兩者要進(jìn)行綜合考慮。
下圖縱軸為最大自起動(dòng)頻率,橫軸為負(fù)載慣量,曲線表示負(fù)載慣量與最大自起動(dòng)脈沖頻率之間的關(guān)系。此處以PM型爪極步進(jìn)電機(jī)(兩相,步距角7.5°)為例。負(fù)載PL下,最大自起動(dòng)脈沖頻率PL與負(fù)載慣量Jc的關(guān)系如下:
式中,JR步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量,Ps為空載的最大自起動(dòng)頻率。
暫態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量作用,即使空載運(yùn)行一步,也會(huì)產(chǎn)生超越角(over-shoot),并在超越角與返回角(under-shoot)之間來(lái)回振蕩,經(jīng)過(guò)哀減后靜止于所定角度,此為步進(jìn)電機(jī)暫態(tài)響應(yīng)特性。
下圖表示步進(jìn)電機(jī)的暫態(tài)特性,縱軸取轉(zhuǎn)子移動(dòng)角度,橫軸為時(shí)間?!鱐為上升時(shí)間,△θ表示超越角,轉(zhuǎn)子自由靜止到設(shè)定位置的時(shí)間(通常到達(dá)步距角的士5%誤差范圍的時(shí)間)稱為穩(wěn)定時(shí)間(setting time)。
穩(wěn)定時(shí)間越短,快速性越好,為了加快機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度,使穩(wěn)定時(shí)間變短,步進(jìn)電機(jī)的阻尼(制動(dòng))變得很重要。
靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
步進(jìn)電機(jī)的線圈通直流電時(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(jī)的靜態(tài)特性。如下圖所示:
因?yàn)檗D(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(jìn)電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩能力的重要指標(biāo),最大轉(zhuǎn)矩越大越好,轉(zhuǎn)矩波形越接近正弦越好。實(shí)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(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜止轉(zhuǎn)矩(或稱把持轉(zhuǎn)矩),相對(duì)應(yīng)的功率角為θL和θM,此位移角的變化決定了步進(jìn)電機(jī)位置精度。根據(jù)上式得到:
θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)
PM型永磁步進(jìn)電機(jī)和HB混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角θs在前面的課程中講過(guò)即:θs=180°/PNr,角度改為機(jī)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(duì)數(shù),所以兩相電機(jī)θM=θs。
負(fù)載轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩的負(fù)載(如彈簧力或重物的提升力等),電機(jī)如要正反向運(yùn)動(dòng),會(huì)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(jìn)電機(jī),即高分辨率電機(jī)。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(jìn)電機(jī)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(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系,定子磁極數(shù)的增加受到機(jī)械加工的限制。HB型轉(zhuǎn)子表面無(wú)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(duì)數(shù)Nr,同樣的,轉(zhuǎn)子磁極Nr的增加也受到充磁機(jī)械的限制。VR型轉(zhuǎn)子齒數(shù)與HB型相同時(shí),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(wú)永磁磁極,最大轉(zhuǎn)矩Tm比HB型小。
當(dāng)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變大,電抗也增加,則高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩會(huì)下降。因此,Nr=50,步距角為1.8°的電機(jī)被廣泛使用。對(duì)HB型結(jié)構(gòu),全步進(jìn)狀態(tài)的步距角精度為士3%,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行角度θ=nθs,各步運(yùn)行中無(wú)累積誤差,電機(jī)的速度如足夠大,盡可能提高n(θs?。?,以提高位置定位精度。
動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)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-慣量特性。
脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性
脈沖頻率-轉(zhuǎn)矩特性是選用步進(jìn)電機(jī)的重要特性。如下圖所示,縱軸為動(dòng)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。
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)矩產(chǎn)生包括失步轉(zhuǎn)矩(pull-out-torque)和牽入轉(zhuǎn)矩(pull-in-torque)兩個(gè)轉(zhuǎn)矩。前者稱為失步或丟失轉(zhuǎn)矩,后者稱為起動(dòng)或牽入轉(zhuǎn)矩。牽入轉(zhuǎn)矩范圍為從零到最大自起動(dòng)脈沖頻率或最大自起動(dòng)頻率區(qū)域。牽入曲線包圍的區(qū)域稱為自起動(dòng)區(qū)域。電機(jī)同步進(jìn)行正反轉(zhuǎn)起動(dòng)運(yùn)行,在牽入與失步區(qū)域之間為運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū),電機(jī)在此區(qū)域內(nèi)可帶相應(yīng)負(fù)載同步連續(xù)運(yùn)行,超出范圍的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將不能連續(xù)運(yùn)行,出現(xiàn)失步現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)為開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)控制,其負(fù)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(shí)相等。隨著控制脈沖頻率的增加,帶負(fù)載能力會(huì)下降。在運(yùn)行開(kāi)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(jī)在低速運(yùn)行時(shí)需要的加速轉(zhuǎn)矩,減少加速時(shí)間。步進(jìn)電機(jī)定子線圈的電感設(shè)計(jì)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(dòng)變?yōu)榭旒铀衮?qū)動(dòng)運(yùn)行。
步進(jìn)電機(jī)在帶慣性負(fù)載快速起動(dòng)時(shí),須有足夠的起動(dòng)加速度。因此如負(fù)載的慣量增加,則起動(dòng)脈沖頻率就下降,為此,在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)對(duì)兩者要進(jìn)行綜合考慮。
下圖縱軸為最大自起動(dòng)頻率,橫軸為負(fù)載慣量,曲線表示負(fù)載慣量與最大自起動(dòng)脈沖頻率之間的關(guān)系。此處以PM型爪極步進(jìn)電機(jī)(兩相,步距角7.5°)為例。負(fù)載PL下,最大自起動(dòng)脈沖頻率PL與負(fù)載慣量Jc的關(guān)系如下:
式中,JR步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量,Ps為空載的最大自起動(dòng)頻率。
暫態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量作用,即使空載運(yùn)行一步,也會(huì)產(chǎn)生超越角(over-shoot),并在超越角與返回角(under-shoot)之間來(lái)回振蕩,經(jīng)過(guò)哀減后靜止于所定角度,此為步進(jìn)電機(jī)暫態(tài)響應(yīng)特性。
下圖表示步進(jìn)電機(jī)的暫態(tài)特性,縱軸取轉(zhuǎn)子移動(dòng)角度,橫軸為時(shí)間?!鱐為上升時(shí)間,△θ表示超越角,轉(zhuǎn)子自由靜止到設(shè)定位置的時(shí)間(通常到達(dá)步距角的士5%誤差范圍的時(shí)間)稱為穩(wěn)定時(shí)間(setting time)。
穩(wěn)定時(shí)間越短,快速性越好,為了加快機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度,使穩(wěn)定時(shí)間變短,步進(jìn)電機(jī)的阻尼(制動(dòng))變得很重要。
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