• 负载

 

 

力矩负载 (Tf)

Tf = G * r

G: 负载重量

r: 半径

惯量负载 (TJ)

TJ = J * dw/dt

J = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)

M: 负载质量

R1: 外圈半径

R2: 内圈半径

dw/dt: 角加速度

• 速度-力矩曲线

速度-力矩曲线是步进电机输出特性的重要表现形式。

A. 工作频率点
电机在某一点的转速值。
速率:
n = q * Hz / (360 * D)
n: 转/秒
Hz: 频率值
D: 驱动电路细分值
q: 步距角

步距角1.8°的步进电机,在 1/2 细分驱动方式下 (即每步 0.9°) 、 工作频率 500Hz 时的转速为1.25r/s.

B. 自启动区域: 步进电机可以直接启动和停止的区域。

 

 

C. 连续运行区域: 在该区域内,电机无法直接启动或停止。电机在该区域内运行必须先经过自启动区域,然后经 过加速达到该工作区域运行。同理,电机在该区域内也无法直接制动,否则容易造成电机失步, 必须先经过减速到达自启动区域内再制动。

D. 最高启动频率: 空载情况下,已励磁电机直接启动而不丢步的最高脉冲频率。

E. 最高运行频率: 空载情况下,已励磁电机运行而不丢步的最高脉冲频率。

F. 启动力矩/牵入力矩: 已励磁电机能以某一固定的频率启动和同步运行而不丢步的最大转矩。

G. 运行力矩/牵出力矩: 在规定的驱动条件下,按照给定脉冲频率,可加给已驱动电机转轴上而不是电机丢步的最大转矩。

• 加速/减速运动控制

当电机运行频率点在速度-力矩曲线的连续运行区域
内时,如何缩短电机启动或停止时的加速或减速时
间,使电机更长时间地运行在最佳速度状态,从而
提高电机的有效运行时间是非常关键的。

如右图所示,步进电机的动态力矩特性曲线,低速
运行时曲线为水平直线状态;高速运行时,由于受
到电感的影响,曲线发生了指数下降。

A. 低转速状态下的直线加速运行
已知电机负载为TL,假设想从F0 在最短时间 (tr)
内加速到 F1,如何来计算最短时间 tr ?
(1) 通常情况下 TJ = 70%Tm
(2) tr = 1.8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ-TL)
(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0

B. 高转速状态下的指数加速运行
(1) 通常情况下
TJ0 = 70%Tm0,
TJ1 = 70%Tm1,
TL = 60%Tm1
(2). tr = F4 * In [(TJ0-TL)/(TJ1-TL)]
(3). F (t) = F2 * [1 – e^(-t/F4)] + F0, 0F2 = (TL-TJ0) * (F1-F0)/(FJ1-TJ0)
F4 = 1.8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ0-TL)

备注:J 表示电机转子加负载时的转动惯量。q 表示每一步的转动角度,在整部驱动时就是指电机的步距角。
在减速运行时,只需将上述的加速脉冲频率反转过来计算就可以了。

 

• 振动与噪音

一般来讲,步进电机在空载运行情况下,当电机的运行频率接近或等于电机转子的固有频率时 会发生共振,严重的会发生失步现象。
针对共振的几种解决方案:

A. 避开振动区,使电机的工作频率不落在振动范围内。
B. 采用细分的驱动模式,使用微步驱动模式,将原来的一步细分为多步运行,提高电机的每步分辨率,从而降低振动。这可以 通过调整电机的相电流比来实现的。微步并不会增加步距角精确度,却能使电机运行更加平稳,噪 音更小。一般电机在半步运行时,力矩会比整步时小15%,而采用正弦波电流控制时,力矩将减小 30%。