步進(jìn)電機(jī)的主要特性與基本特性

現(xiàn)在制造工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，到處都離不開(kāi)步進(jìn)電機(jī)，步機(jī)電機(jī)的生產(chǎn)程序是一項(xiàng)非常繁瑣的事情，要求生產(chǎn)制造人員不僅要對(duì)機(jī)械、電機(jī)行業(yè)了解，還涉及到了許多電子與計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)，步進(jìn)電機(jī)主要是通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。要是片面從電流來(lái)考慮如何配驅(qū)動(dòng)器，那肯定是不合適的。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，所以用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。

步進(jìn)電機(jī)的主要特性

1 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)型號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候， 步進(jìn)電機(jī)靜止， 如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)， 就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。

2 騰龍版步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5 度，一圈360 度， 需要48 個(gè)脈沖完成。

3 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。

4 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。

因此，目前打印機(jī)，繪圖儀，機(jī)器人，等等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。

步進(jìn)電機(jī)的基本特性

一、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。

二、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（pulse per second）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。

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。