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步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

文章出處:漢德保(HDB MOTOR)電機(jī) 人氣:2662發(fā)表時(shí)間:2022-04-28

步進(jìn)電機(jī)的靜態(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(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

 

其中TLTM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:

 

永磁步進(jìn)電機(jī)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:

 

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

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θsHB型的2倍,并且由于無(wú)永磁磁極,最大轉(zhuǎn)矩TmHB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小),以提高位置定位精度。

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