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常州市辰工电器有限公司关于步进电机技术参数表述


旋转磁场
当电机定子的一相绕组通以激磁电流时,就会产生磁通,磁通的方向可以用" 法则",来确定。(用右手握住线圈,使大拇指和其余的四指垂直,如果其余的四指和电流的方向一致,那么大拇指所指的方向就是磁场的方向)。
图5显示了B相激磁时磁通的路径及对应的电流的方向,转子于是开始排列自己的位置,以使对磁通的阻抗最小,在这种情况下,电机将沿顺时针方向旋转,使得转子的南极和定子B相下的 极(位置2)对齐,转子的北极和定子B相下的南极(位置6)对齐,现在我们明白,要使电机旋转,必须对定子进行一系列的激磁,通过这种方式产生一个旋转的磁场,在磁吸力的作用下,转子将跟着这个磁场旋转。
转矩的产生
步进电机转矩的产生依赖于好几个因素:
* 步进速率
* 绕阻中的驱动电流
* 驱动的方案或类型 在步进电机中,当定子和转子的磁通相互交链时,就可以产生转矩。步进电机的定子铁芯是采用导磁高的材料制成的,和电子电路中电流集中在导体中的那种方式一样,由于这种高导磁材料的存在,使得磁通主要集中在定子铁芯结构所限定的磁路上,而这个结构就是确保磁通集中在定子极上。电磁通与磁密的基本关系定义如下:
这里N = 绕阻匝数 I = 电流 H = 磁通 L = 磁通路径的长度
这个关系式表示:磁通密度和相应的转矩是正比于绕组的匝数以及电流而反比于磁路长度的。从这个基本的关系式可以看出,仅仅通过改变电机绕组的参数,就可以使其转矩输出能力得到明显的变化。在一篇名为《驱动电路基础》的应用文章中,我们给出了关于绕组参数如何影响电机输出能力的更为详细的信息。

相、极和步距角
通常,步进电机是两相的,但也存在三相和五相的一个双极性电机有两相,每相有一个绕组,单极性的电机也有两相,每相一个绕组,只是每相绕组多了一个中心抽头,单极性步进电机有时被成为"四相电机",尽管它只有两相。
也存在每相有两个单独绕组的电机,他即可以当作单极性,也可以当作双极性来驱动。
极可以定义为励磁体上磁密集中的区域。图5包含了这样一个两相步进电机的简化图例:定子每相有两极(一对极),转子有两极(一对极)。实际上,定转子结构中都会增加一些极,以增加电机每转的步数,换句话说,就是使电机的基本(整步)步矩角更小,典型的PM进电机有12对极,即定子每相有12对极。混合式步进电机有一个带齿的转子,他的转子铁芯被分为两部分,由永久磁钢隔开,使一半的齿成为S极,而另外的一半为N极。而转子的极对数就等于任何一半转子的齿数。为了形成更多数目的等效极数,混合式步进电机的定子极上也有齿。(对于小极距,等效极数 = 360℃/齿距)区别于等效极的是,基本的极上是绕有绕组的。一般来讲,4个基本极适用于3.6°电机,而8个极适用于1.8°和0.9°电机。
下列转子的极数、定子的等效极数以及相数之间的关系式可以确定一个步进电机整步时的步距角。
NPH = 每相有效极数 = 转子极数 Ph = 相数 N = 各相的极数之和
如果转子和定子的齿距不相等,那么将存在一个更为复杂的关系式。
步进方式
下列步进方式最为常规:
* 单拍驱动(1相通电)
* 整步驱动(2相通电)
* 半步驱动(1&2相通电)
* 微步驱动(电机电流连续变化)
下列的讨论将以图6为参考
在单拍驱动情况下,在任何时候只有一个绕组励磁。当定子按照ABA′B′的顺序励磁时,转子将按照8246的位置步进。不论是单极性还是双极性绕法的电机,只要绕组参数相同,这种励磁模式将导致(转子运动到)相同的机械位置。这重驱动方式的缺点就是,绕组的利用率对于单极性只有25%,对于双极性只有50%,也就是说你没有获得该电机的最大输出力矩。
在整步驱动情况下,任何时候都有两相励磁。当定子按照ABA′BA′B′AB′顺序励磁时,转子将按照1357的位置步进,整步驱动和单相通电有相联系的运动角度,只是机械位置上相差了半步。绕组参数相同时,单极性电机的输出力矩要比双极性的低,因为单极性电机只利用了绕组的一半,而双极性电机却利用了整个绕组。
半步驱动综合了单排和整步两种驱动方式(1&2相通电)。在这种方式下,第二步只有一相通电,
在另外一步,每极上都有一相通电。当定子按照ABAA′BA′A′B′B′AB′A的顺序励磁时,转子的步进位置依次为12345678。
这种运动的角度只有一相或两相通电那种驱动方式下的步距角的一半。和一相或两相通电驱动方式相比半步运行还可以减低共振。
表1中,对上述驱动方式的励磁顺序作了归纳。
在细分驱动时,绕组中的电流是不断变化的,可以将一整步分成许多更为细小的微步。在微步这一章,可以找到关于微步驱动更为详细的信息。

矩角特性
步进电机的矩角特性是指当步时电机按额定电压(电流)励磁时,施加在转轴上的力矩与对应的偏移(角度)之间的关系。在理想状态下,步进电机的矩角特性是正弦曲线(图7)。
当一个外加的负载作用在转轴上时,位置A和C就表示稳定平衡点。当你将一个外力Ta作用在电机的转轴上时,就会产生一个对应的偏移角度a,这个偏移角度a是超前角还是滞后角,取决于电机是加速还是减速状态。在施加负载的作用下停止时,它将保持在一个被定义为偏移角的位置上。电机产生的力矩Ta,对应于所施加的外国以平衡负载。当负载增加时,偏移角也相应增加直到达到电机的最大保持转矩Th,一旦超过电机将进入一个不稳定区域。在这个区域力矩产生反向,转子将越过不平衡点到达下一个平衡点。
偏移角度由下列关系式确定:
Z = 转子齿距角 Ta = 负载转矩
Th = 电机额定转矩 X = 偏移角度
因此,如果你对表示带负载电机的平衡位置的肯距角误差觉得有问题的话,可以通过改变电机的"刚性"来改善。这可以通过电机的额定转距来实现,通过图8我们可以看到这一影响。对一个恒定负载,增加保持转矩可以使滞后角从2偏移到1。
步距角精度
步进电机作为一个定位装置如此流行的一个原因就是它的精度和重复性。典型的步进电机的步矩角精度是一步的3%-5%。这一误差在步与步之间不会积累。步进电机的精度主要由受其零部件精度及装配的影响。
a.步矩角误差(Step Position Error)
当电机从一个保持位置旋转到下一步时产生的最大正向或反向位置误差。
b.位置误差(Positional Error)
电机从起始位置步进N次(N = 360°/步矩角),测量每一步到起始位置的角度。如果第N步的位置到起始位置之间的角度是N,误差是DN,这里:
DN = N - (步矩角)* N
尽管位置误差是最大值和最小值之间的差异,但它通常用±号表示,就是:
重复位置误差 (Hysteresis Positional Error)
是指在两个方向测得的位置误差值。

机械参数、负载、磨擦力及惯量
步进电机系统(驱动器及电机)的性能高度依赖于负载的机械参数。而这个负载被定义为电机所驱动的,它一般是指磨擦、惯量或两者的综合。
磨擦力是由于表面的不均匀产生的相互磨擦对运动的阻力。在整个一步过程中,需要一个最小的力矩(至少等于磨擦力)来克服这个磨擦力。增加磨擦负载,将降低最大速度,减小加速度,增大位置误差,如果减小磨擦负载将得到相反的结果。
步进电机转子的振动将随磨擦和惯量负载的大小而变化,因此可以通过机械阻尼器的方式来降低转子振动。但是, 通常采用更为简单的电子阻尼的方法来削弱这种不必要的转子振动,例如变整步驱动为半步驱动。
转矩、速度特性
对一个特定的应用,速度和力矩之间的关系特性是正确选择电机和驱动的关键。这些特性取决于电机,励磁模式,驱动器的类型或驱动的方法。典型的"速度--力矩曲线"如图10所示。
要更好地理解这一曲线,需要定义一些与之相关的概念。

保持转矩(Holding Torque)
电机在锁定时能产生的最大力矩。
牵入曲线(Pull-In Curve)
起动曲线定义的范围是一个被称为起停的区域。这是电机在带负载的情况下,能够瞬时起停且不失去同步的最大频率。
最大起动频率(Maximum Start Rate)
指不加负载时的最大起动频率。
牵入曲线(Pull-Out Curve)
牵出曲线定义的范围是一个被称为运转的区域。它是指电机能够不失步地运行到的最大频率。既然这个区域在牵入区域以外,那么电机必须通过一个阶段(rampe加速或减速)才能进入这个区域。
最大运行频率(Maximum Slew Rate)
指电机不加负载时的最大运行频率。
牵入特性的变化取决于负载。负载惯量越大,牵入区域越小,从曲线的形状可以看出步进频率对步进电机转矩输出能力的影响。随着速度的增加,输出转矩将会减小,这是由于在高速时电机的电感成为电路的支配要素。
速度--力矩曲线形状的变化极大程度上所用驱动器的形式,对一个给定的电机,采用爱立信的芯片制成的双极性斩波驱动电路,可以达到最佳的速度--力矩特性。大部分电机生产商都为其电机提供了速度--力矩曲线。弄清楚电机生产厂商对所给的速度--力矩性能曲线所采用的驱动器的类型或方法是非常重要的,因为对于一个给定的电机,其矩频特性由于所用驱动方法的不同将有明显的变化。

单步响应和共振
步进电机的单步响应特性如图11所示。
给电机施加一个步进脉冲时,转子的动作方式如上述曲线所示,步进时间正是当第一个步进脉冲施加时,电机转轴转过一个步矩角所花费的时间。这个步进时间高度依赖与转矩与惯量(负载)的比值以及所采用的驱动器的类型。
既然力矩是偏移(角度)的函数,那么加速度同样也是。在转动的步进增量较大时,对应的力矩较大,因此加速度也比较大。这就会引起如图11所示的过冲和反复,经过设定时间 后,这些振荡或反复将逐渐终止。而在某些应用中不期望有这种现象。通过电机的微步驱动,可以减弱甚至 除这一特性。关于微步驱动的详细内容请参考微步驱动这一章节。
在某一特定频率,步进电机会出现共振现象。这可以看作是在某一速度下由于力矩丧失或降低而造成的丢步或失去同步。而这会发生在输入的步进脉冲频率和转子的自振频率一致时,通常共振的区域在100-200pps左右,在高频率段也有。共振现象是由步进电机的基本结构所决定的,不可能完全消除。不过它同样也取决于负载条件。可以通过半步或微步驱动模式来削弱(共振)。