电机选择:步进电机位置定位精度的选用

步进电机以位置定位控制为主要目的使用时,要提高位置定位精度,需要电机具有以下性能:

  1. 高分辨率(步距角小)。
  2. 矩角特性为正弦波,峰值大。
  3. 齿槽转矩(cogging)小。
  4. 动态转矩大,暂态特性良好。

同等性能的电机,要得到这些的特性,就要配合最佳的驱动方式。根据以上介绍,我们试着选择位置定位精度好的电机。

高分辨率电机的选用

步进电机位置定位控制时,设步距角为θS,脉冲波的总数为n,步进电机的总步进量为nθS,最终步进的步进电机的位置误差为△θ,则下式 成立:

θn=nθS±△θ

此时,由于步进电机本体的结构,第(n-1)步以内的误差不会累计计算,第n步的步进误差△θ,变成总步进量θS的位置误差。故位置定位系统的精度PA用下式表示:

PA=±△θ/nθS

下式成立:

△θ=KθS

此处,K可以根据步距角的大小多少变化,轻载时约为0.05。依据上式△θ=KθS,步距角愈小,位置定位精度PA愈好。要想提高位置定位精度,就要选择高分辨率的步进电机,使位置定位误差△θ小。

高分辨率的步进电机

此处考虑决定步距角的要素。式θS=180°PNr,如用弧度表示,则步进电机的步距角θS如下式表示:

θS=π/PNr

式中,θS为机械角。

一、多相步进电机

相数P多,步距角小、分辨率高、位置定位精度提高。但随相数的增加,驱动电路的功率管数量成比例增加,驱动电路变得复杂,成本提高,由于电机多相构造,制造工作量复杂程度增加,由此造成成本绩效的降低。如多相化,全步进时以及半步进时可获到转矩波动小、振动低等优点。相数如由两相增加到三相,驱动电路不会变复杂,且可获得多相电机的有利特性。

齿槽转矩太大时,其位置定位精度差,转动时振动或噪音大,一般的用途是希望此转矩小。故齿槽转矩的大小变成步进电机评估的一项指标。齿槽转矩稳定点的周期一般取与步距角相同的周期。下图表示同一大小、同一气隙的HB型步进电机的齿槽转矩比较。

步进电机齿槽转矩的比较

由图可知,两相1.8°与三相1.2°使用同一个50齿转子时,三相电机的齿槽转矩值约降低1/2。三相同一大小100齿的步进角度0.6°的电机,其齿槽转矩约降低1/4。此齿槽转矩的周期,理论上是两相步进电机静态转矩周期的1/4倍(4次谐波),三相电机为1/6倍 (6次谐波)。由式θS=π/PNr可知,P与Nr越多,越能降低齿槽转矩,提高位置定位精度。

步进细分数相同时,两相HB型与三相HB型的位置精度比较如下图所示,8细分的两相1.8°与三相0.6°两者比较,三相0.6°其位置误差比两相电机降低22%左右。

步距8细分时位置精度比较

二、齿数Nr多的电机

对位置定位非常重要的静态转矩特性的角度变化周期,并不会随电机相数的改变而改变,只依据转子齿数来决定。

静态转矩T与位移角θ的关系公式

齿数或极对数Nr越大,分辨率越高。负载转矩TL加在步进电机上,由《静态转矩特性》一文中的上式得知,其位置定位精度与位移角θL有下式关系:

公式

式中,TM为最大静止转矩(也称为把持转矩)。由此式可知,此位移角决定步进电机的位置定位精度。决定步进电机的位置定位精度的位移角θL由下式表示:

θL=(2θM)arcsin(TL/TM

另一方面θM用下式表示:

θM=π/2Nr

由上两式可变换成下式:

θL=(1/Nr)arcsin(TL/TM

即电机的静态转矩特性如为正弦波,则峰值转矩TM很大,如选择齿数Nr大的步进电机,负载引起的位移角就小,从而提高位置定位精度。齿槽转矩小的电机静态转矩特性接近正弦波。

以HB型步进电机为例,转子齿数Nr有50齿或100齿。两相时,50齿步距角1.8°,100齿变成0.9°。三相电机的情况,50齿1.2°,100齿0.6°。下图示出三相HB型1.2°与0.6°的步进电机,在相同负载转矩位置定位时的位移角情况。即Nr大的在0.6°范围内形成静态转矩特性的斜率大(刚性强),亦即,对相同的负载引起的位移角变化量小。

步距角不同时,负载转矩与位移角的关系

位置定位控制时,位置到达时间会出现问题,此时,动态转矩大,暂态特性良好,也成为步进电机的选择条件。动态转矩,特别是低速时的动态转矩越大,在负载加速运行时可缩短位置定位时间。负载加速后,如到达接近目标位置,必须要尽快停止,因此,要考虑暂态特性。

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