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步进电机扭矩基础

时间:2019-11-27 16:34


  步进电机因其价格低廉,坚固耐用,简单,在启动时和低速时具有高扭矩,几乎不需要维护而可以在开环控制系统中运行,因此仍然很受欢迎。

  步进电机将整个旋转分为多个相等的步长。只要根据扭矩和速度仔细选择适合应用的尺寸,就可以使电动机的位置移动并保持在这些步骤之一。保持转矩是将固定式步进电机轴推到位所需的旋转力的量度。保持转矩(T)是电动机转矩常数(KT)与施加到定子绕组的电流(i)的乘积。

  T = KTi

  在大多数应用中,电子驱动器控制步进电机。他们采用脉冲宽度调制(PWM)技术来监视定子电流并施加适当的电压以达到所需的电流和扭矩。当电动机静止时,驱动器仅需要使用足够的电压来克服定子线圈的电阻(也称为电动机相)。这由欧姆定律描述,该定律将电压计算为电流(以安培为单位)乘以电阻(以欧姆为单位)。如果电压增加,电流也会增加,但是如果电阻增加,电流会减少。

  V = iR

  由于大多数高性能步进电机的相电阻都很低,因此驱动器不需要太多电源电压即可将电机固定在适当的位置。在实际应用中,电机不会永远保持静止状态。它用于移动负载。以特定速度移动物体需要以该速度提供动态扭矩。步进电机不会从静止状态立即更改为给定速度。它们必须加速,就像驾驶员踩油门踏板时逐渐提高速度一样。为了使车辆更快地加速,需要更多的汽油。遵循牛顿著名的定律F = ma,步进电机也类似。以下是用旋转术语表示的牛顿定律的公式,其中转矩(T)与转子,负载惯量(J)和角加速度(A)成正比:

  T = JA

  要管理更大的负载或更快地加速,需要更大的扭矩。但是,步进电动机的动扭矩随着速度的增加而减小,因为当电动机开始运动时,它就变成了发电机。随着转子磁场在定子线圈之间移动,电机端子上会出现电压。驱动器必须向电动机施加额外的电压以克服该电压,称为反电动势,这是电动机速度(w)和电压常数(KE)的乘积。同样,定子线圈与所有线圈一样,具有抵抗电流变化的电感。当定子电流变化以保持转子转动时,必须使用更多的电压来克服电感(L)。运动中的电动机的电压方程为:

  V =KEώ+ iR + L(di / dt)

  PWM驱动器将增加施加到电动机的电压,以保持电流和转矩恒定。在某种速度下,电源将没有足够的电压,并且电动机电流将开始下降。转矩随电流下降。如果使用更高电压的电源,则动态转矩在较高速度下仍保持平坦(请参见图1)。

图1

  确定应用程序大小的过程涉及计算移动负载所需的所需扭矩和速度范围。例如,如果应用程序需要80盎司。如果转矩高达10转/秒(rps),则该电动机可以使用24 V电源(见图2)。

图2

  如果我们需要走得更远和更快,则可能会加速到80盎司英寸。在20 rps。电机需要48 V电源(请参见图3)。

图3