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步進電機的特性

2019-06-25

  跟著操控電機重要性的添加,操控電機的使用量也逐年添加。步進電機是一種操控電機,不使用反應回路,就能進行速度操控及定位操控,即所謂的電機開環操控。
 
  ■ 步進電機原理
 
  步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖,電機轉動一個視點,帶動機械移動一小段距離。
 
  ■ 分類
 
  電機有各種分類方法,如用電壓種類分類時,有AC驅動與DC驅 動;用旋轉速度與電源頻率聯系分類時,則有同步電機和異步電機。
 
  如下圖是步進電機在小型電機系列中的方位聯系。
 

步進電機

  由上圖可知,步進電機歸于DC驅動的同步電機,但無法直接用DC或AC電源來驅動,需求裝備驅動器才干使用。所以步進電機的運轉需求驅動電路。此點與無刷DC電機相同,無刷DC電機要使用驅動電路,驅動電路將電機定子與DC電源連接在一起作業。
 
  ■ 步進電機特性
 
  步進電機的根本特性包含電機靜態特性、連續運動特性(動態特性)、電機發動特性和電機制動特性(暫態特性)。下面別離作介紹:
 
  1、靜態轉矩特性
 
  步進電機的線圈通直流電時,帶負載轉子的電磁轉矩(與負載轉矩平衡而發作的恢復電磁轉矩稱為靜態轉矩或停止轉矩)與轉子功率角的聯系稱為視點-停止轉矩特性,這就是電機的靜態特性。如下圖所示:
 

步進電機

  因為轉子為永磁體,發作的氣隙磁密為正弦分布,所以理論上停止轉矩曲線為正弦波。此視點-停止轉矩特性為步進電機發作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。實際上磁極下存在齒槽轉矩,使組成轉矩發作畸變,如兩相電機的齒槽轉矩為停止轉矩視點周期的4倍諧波,加在正弦的停止轉矩上,則上圖所示的轉矩為:
 
  TL=TMsin[(θL/θM)π/2]
 
  其間TL與TM各表明負載轉矩和最大停止轉矩(或稱把持轉矩),相對應的功率角為θL和θM,此位移角的變化決定了步進電機方位精度。根據上式得到:
 
  θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)
 
  PM型永磁步進電機和HB混合式步進電機的步距角θs在前面的課程中講過即:θs=180°/PNr,視點改為機械視點(弧度),則變成下式:
 
  θs=π/(2Nr)
 
  上式Nr為轉子齒數或極對數,所以兩相電機θM=θs。
 
  2、動態轉矩特性
 
  動態轉矩特性包含驅動脈沖頻率-轉矩特性和驅動脈沖頻率-慣量特性。
 
  1)脈沖頻率-轉矩特性
 
  脈沖頻率-轉矩特性是選用步進電機的重要特性。如下圖所示,縱軸為動態轉矩(dynamic torque),橫軸取響應脈沖頻率,響應脈沖頻率用pps作為單位,即每秒的脈沖數表明。
 

步進電機

  如圖所示,步進電機的動態轉矩發作包含失步轉矩(pull-out-torque)和牽入轉矩(pull-in-torque)兩個轉矩。前者稱為失步或丟失轉矩,后者稱為起動或牽入轉矩。牽入轉矩規模為從零到最大自起動脈沖頻率或最大自起動頻率區域。牽入曲線包圍的區域稱為自起動區域。電機同步進行正反轉起動運轉,在牽入與失步區域之間為運轉區,電機在此區域內可帶相應負載同步連續運轉,超出規模的負載轉矩將不能連續運轉,呈現失步現象。步進電機為開環驅動操控,其負載轉矩與電磁轉矩之間要有裕度,其值應為50%~80%。
 
  2)脈沖頻率-慣量特性
 
  步進電機在帶慣性負載快速起動時,須有足夠的起動加速度。因此如負載的慣量添加,則起動脈沖頻率就下降,為此,在挑選步進電機時對兩者要進行歸納考慮。
 
  下圖縱軸為最大自起動頻率,橫軸為負載慣量,曲線表明負載慣量與最大自起動脈沖頻率之間的聯系。此處以PM型爪極步進電機(兩相,步距角7.5°)為例。負載PL下,最大自起動脈沖頻率PL與負載慣量Jc的聯系如下:
 

步進電機
 

步進電機

  式中,JR步進電機轉子慣量,Ps為空載的最大自起動頻率。
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