步進電機的線圈通直流電時,帶負載轉子的電磁轉矩(與負載轉矩平衡而產(chǎn)生的恢復電磁轉矩稱為靜態(tài)轉矩或靜止轉矩)與轉子功率角的關系稱為角度-靜止轉矩特性,這就是電機的靜態(tài)特性。如下圖所示:
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為正弦波。此角度-靜止轉矩特性為步進電機產(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位置精度。根據(jù)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,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(shù)或極對數(shù),所以兩相電機θm=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,會產(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),應選擇最大靜止轉矩tm大、步距角θs小的步進電機,即高分辨率電機。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系,定子磁極數(shù)的增加受到機械加工的限制。hb型轉子表面無齒,n極與s極在轉子表面交替磁化,因此極數(shù)即為極對數(shù)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(shù)與hb型相同時,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,并且由于無永磁磁極,最大轉矩tm比hb型小。
當兩相步進電機外徑為42mm左右時,nr=100齒,步距角0.9°,這 是實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,全步進狀態(tài)的步距角精度為士3%,步進電機運行角度θ=nθs,各步運行中無累積誤差,電機的速度如足夠大,盡可能提高n(θs?。?,以提高位置定位精度。