步進(jìn)電機的基本特性包括電機靜態(tài)特性、連續運動(dòng)特性(動(dòng)態(tài)特性)、電機啟動(dòng)特性和電機制動(dòng)特性(暫態(tài)特性)。下面分別作介紹:
靜態(tài)轉矩特性
步進(jìn)電機的線(xiàn)圈通直流電時(shí),帶負載轉子的電磁轉矩(與負載轉矩平衡而產(chǎn)生的恢復電磁轉矩稱(chēng)為靜態(tài)轉矩或靜止轉矩)與轉子功率角的關(guān)系稱(chēng)為角度-靜止轉矩特性,這就是電機的靜態(tài)特性。如下圖所示:
步進(jìn)電機的基本特性:靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài)特性
因為轉子為永磁體,產(chǎn)生的氣隙磁密為正弦分布,所以理論上靜止轉矩曲線(xiàn)為正弦波。此角度-靜止轉矩特性為步進(jìn)電機產(chǎn)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(shí)際上磁極下存在齒槽轉矩,使合成轉矩發(fā)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:
TL=TMsin[(θL/θM)π/2]
其中TL與TM各表示負載轉矩和最大靜止轉矩(或稱(chēng)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(jìn)電機位置精度。根據上式得到:
θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)
PM型永磁步進(jìn)電機和HB混合式步進(jìn)電機的步距角θs在前面的課程中講過(guò)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為轉子齒數或極對數,所以?xún)上嚯姍CθM=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(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(jìn)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(jìn)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(guān)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(wú)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(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,最大轉矩Tm比HB型小。
當兩相步進(jìn)電機外徑為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,則高轉速下轉矩會(huì )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(jìn)狀態(tài)的步距角精度為士3%,步進(jìn)電機運行角度θ=nθs,各步運行中無(wú)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。