步進電機的靜態轉矩特性
步進電機的靜態轉矩特性
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
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:
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:
上式Nr為轉子齒數或極對數,所以兩相電機θM=θs。
負載轉矩為電磁轉矩的負載(如彈簧力或重物的提升力等),電機如要正反向運動,會產生2θL的角度偏差,要提高位置精度,θL就要小,因此,依據式θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM),應選擇最大靜止轉矩Tm大、步距角θs小的步進電機,即高分辨率電機。根據式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子結構大致分為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構的關系,定子磁極數的增加受到機械加工的限制。HB型轉子表面無齒,N極與S極在轉子表面交替磁化,因此極數即為極對數Nr,同樣的,轉子磁極Nr的增加也受到充磁機械的限制。VR型轉子齒數與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,則高轉速下轉矩會下降。因此,Nr=50,步距角為1.8°的電機被廣泛使用。對HB型結構,全步進狀態的步距角精度為士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小),以提高位置定位精度。
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