步進(jìn)電機(jī)特性以及如何選型?
發(fā)布時(shí)間:2019/4/19 17:14:33 來(lái)源: 作者: 瀏覽:4845次
隨著控制電機(jī)重要性的增加,控制電機(jī)的使用量也逐年增加。步進(jìn)電機(jī)是一種控制電機(jī),不使用反饋回路,就能進(jìn)行速度控制及定位控制,即所謂的電機(jī)開(kāi)環(huán)控制。
其應(yīng)用主要以處理辦公業(yè)務(wù)能力很強(qiáng)的OA機(jī)器和 FA機(jī)器為核心,并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、計(jì)量?jī)x器、汽車(chē)、游戲機(jī)等。就數(shù)量來(lái)講,0A機(jī)器方面的應(yīng)用約占步進(jìn)電機(jī)使用總數(shù)的75%。
一、步進(jìn)電機(jī)原理
步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理,將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。
二、分類(lèi)
電機(jī)有各種分類(lèi)方式,如用電壓種類(lèi)分類(lèi)時(shí),有AC驅(qū)動(dòng)與DC驅(qū) 動(dòng);用旋轉(zhuǎn)速度與電源頻率關(guān)系分類(lèi)時(shí),則有同步電機(jī)和異步電機(jī)。
如下圖是步進(jìn)電機(jī)在小型電機(jī)系列中的位置關(guān)系。
由上圖可知,步進(jìn)電機(jī)屬于DC驅(qū)動(dòng)的同步電機(jī),但無(wú)法直接用DC或AC電源來(lái)驅(qū)動(dòng),需要配備驅(qū)動(dòng)器才能使用。所以步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要驅(qū)動(dòng)電路。此點(diǎn)與無(wú)刷DC電機(jī)相同,無(wú)刷DC電機(jī)要使用驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路將電機(jī)定子與DC電源連接在一起工作。
三、步進(jìn)電機(jī)特性
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:
1、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性
步進(jìn)電機(jī)的線(xiàn)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(chēng)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(chēng)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(xiàn)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(chēng)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?xún)上嚯姍C(jī)θM=θs。
2、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。
1)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作為單位,即每秒的脈沖數(shù)表示。
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(chēng)為失步或丟失轉(zhuǎn)矩,后者稱(chēng)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(xiàn)包圍的區(qū)域稱(chēng)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%。
2)脈沖頻率-慣量特性
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(xiàn)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。
3、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(chēng)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。使穩(wěn)定時(shí)間變短的方法有改變摩擦或改變慣量驅(qū)動(dòng)等,在后面會(huì)詳細(xì)介紹。