3.2步进电动机的运行特性及使用(精)

2：矩角特性 矩角特性又称静态特性，指绕组中电流恒定，使转子处在各 个不同位置且固定不动时电磁转矩随偏转角的变化关系。 定子一相绕组通以直流电后， 如果转子上没有负载转矩的作 用，转子齿和通电相磁极上的 小齿对齐，这个位置称为步进 电动机的初始平衡位置。如图 所示：
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空间角和电角度的关系 若用外力（静负载转矩不为零）使转子错开初始平衡位置一个 角度。转子齿偏离初始平衡位置的角度就叫转子偏转角(空间 角)，若用电角度θe表示，则由于定子每相绕组通电循环一周 (电角度)，对应转子在空间转过一个齿距(空间角度)，故电角度 是空间角度的 Z 倍. 矩角特性曲线
3．步进电动机及所带负载存在惯性由于步进电动机自身及所带 负载存在惯性，使得电动机在工作过程中不能立即起动和停止， 而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。 解决方法：通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动， 而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合 理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、精确 运行的关键。 4．步进电动机产生共振共振也是引起失步的一个原因。步进电 动机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电动 机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动得 不到充分衰减，下一个脉冲就来到，因而在共振频率附近动态 误差最大并会导致步进电动机失步。 解决方法：适当减小步进电动机的驱动电流；采用细分驱动方 法；采用阻尼方法，包括机械阻尼法。以上方法都能有效消除 电动机振荡，避免失步现象发生
（2）低频条件下运行1/tb<f<4f0
转子的运行特点：第一个脉冲使转子产生的振荡还没衰减完， 第二个脉冲已经到来，转子的位置与脉冲的频率有关，该位置 是第二个脉冲的初始位置。 转子的失步运行：见图3.21 失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之 为失步。 步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步 距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应 地连续转动。步进电动机失步包括丢步和越步。 丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的 步数多于脉冲数。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的 整数倍。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一 个位置振动。
3.4.1 步进电动机的运行特性 1．步进电动机的基本特点（反应式步进电动机） 角度控制：每输入一个脉冲，定子绕组换接一次，输出轴就转 过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移与输 入脉冲数成正比。 速度控制：各相绕组不断地轮流通电，步进电动机就连续转 动。反应式步进电动转速只取决于脉冲频率f、转子齿数z和拍 数，而与电压、负载、温度等因素无关。当步进电机的通电方 式选定后，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就 可以改变转速，可进行无级调速，调速范围很宽。
2．转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通 电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在 步进过程中获得了过多的能量，使得步进电动机产生的输出转 矩增大，从而使电动机越步。当用步进电动机驱动那些使负载 上、下动作的机构时，更易产生越步现象，这是因为负载向下 运动时，电动机所需的转矩减小。 解决方法：减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电动机 的输出转矩。
从图看出，达到 ±π/2 时，即在定子齿 与转子齿顺时针或反时针错开1/4个齿 距时， 转矩T沿对应方向达到最大值， 称为最大静转矩Tsmax ，负载转矩必 须小于最大静转矩，否则，根本带不动 负载。为了能稳定运行，负载转矩一般 只能是最大静转矩的 30%~50%左右。 因此，这一特性反映了步进电动机带负 载的能力。
3:单步运行特性
单步运行：加一个控制脉冲改变一次通电状态，这个工作状态 称为单步运行。
运行区域：包括静稳定区和动稳定区（见P102 图3.18） 单步运行特性：转子空间转角随时间做减幅振荡衰减运动（见 P103 图3.19）
4：连续脉冲运行特性
（1）极低频条件下运行 T>tb 控制脉冲周期T大于转子单步运行振荡衰减时间tb，当第二个 脉冲到来之前，第一个脉冲使得转子运行已经结束。电机处 于欠阻尼状态，产生振荡，不会失步和越步。见图3.20
失步原因及解决方法 1．转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场，即低于换相速度 时，步进电动机会产生失步。这是因为输入电动机的电能不足， 在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的 旋转速度，从而引起失步。由于步进电动机的动态输出转矩随着 连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频率高的工作频率 都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩不足，拖动能力 不够。 解决方法： ①使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。为此可在额定电流范 围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，可适当提高驱 动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等。 ②使步进电动机需要克服的转矩减小。为此可适当降低电动机运 行频率，以便提高电动机的输出转矩；设定较长的加速时间，以 便转子获得足够的能量。
6．转子机械惯性对步进电动机运行的影响
从物理学可知，机械惯性对瞬时运动的物体要发生作用，当 步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性作用，转 子一下子转不起来，因此，要落后于它应转过的角度，如果落 后不太大，还会跟上来，如果落后太多，或者脉冲频率过高， 电动机将会启动不起来。 另外，即使电动机在运转，也不是每走一步都迅速地停留在 相应的位置，而是受机械惯性的作用，要经过几次振荡后才停 下来，如果这种情况严重，就可能引起失步。因此，步进电动 机都采用阻尼方法，以消除(或减弱)步进电动机的振荡。
（3）脉冲频率f>4f0条件下运行
转子的运行特点：在第一个脉冲作用下，转子产生的振荡还 没达到最大振幅，第二个脉冲已经到来，改变通电状态。见 图3.22。电机往往会超出稳定区而失步。
5：脉冲信号的频率对电机运行的影响
当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以 矩形波输入，电流波形比较接近于理 想的矩形波； 随着脉冲信号频率增高，由于电动机 绕组中的电感有阻止电流变化的作用， 因此电流波形发生畸变，频率越高， 畸变越严重。如图所示， 如果脉冲频率过高，电流还来不及 上升到稳定值I 就开始下降，于是， 电流的幅值降低(由I下降到I’)，因而 产生的转矩减小，致使带负载的能力 下降。故频率过高会使步进电动机启 动不了或运行时失步而停下。因此， 对脉冲信号频率是有限制的。