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步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

2022-04-28 | 文章出處：漢德保 | 人氣：1303

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

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：

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：

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小），以提高位置定位精度。