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步进电机如何在高速下获得大扭矩

时间:2019-12-10 11:07


  

  步进电机最显着的性能特征是精确定位,良好的保持转矩和良好的低速转矩特性。但是在某些情况下,应用参数需要在高速下产生高扭矩,而设计或控制约束条件则要求使用步进电机。尽管步进电动机在高速下产生高扭矩的能力并不突出,但在某些应用中,可以同时实现这两种功能。

  电机的拉出扭矩曲线显示了在运行速度范围内可以产生的最大扭矩。如果电动机在拔出转矩曲线之外(上方)运行,则可能会失速。

  为什么步进电动机在高速产生高转矩时会遇到麻烦?

  对于给定的步进电动机设计,转矩产生主要是通过电动机绕组的电流的函数-电流越大,电动机产生的转矩就越大。但是电动机绕组具有两个特性,它们会限制电流,因此会限制扭矩的产生。第一个是电感(L),它使绕组抵抗流经它的电流的任何变化。另一个是电阻(R),它限制了绕组可以承载的最大电流量。

  总之,这两个性质确定电动机的电气时间常数(τ ë),这是它在卷绕花费的电流达到其额定(最大)值的63%的时间。

  


  当传递到绕组的电压脉冲的速率(进而是电动机速度)变慢时,绕组有足够的时间达到其额定电流,并且电动机可以产生其额定转矩。但是,当电压脉冲的速率(电动机速度)很高时,绕组中的电流就没有足够的时间达到其额定值,并且会影响转矩产生。

  限制步进电机高速产生扭矩的另一个因素是 绕组中的电流上升率(dI / dt),它与施加的电压(V)直接成正比,与电动机的电感(L)成反比。

  


  为了提高电流上升速率,必须降低绕组的电感(L),或者必须增加施加的电压(V)。

  降低绕组电感需要改变电动机的设计和/或制造方法。实际上,一些制造商已经对其电动机的结构和制造工艺进行了更改,现在提供的步进电动机具有比传统设计更高的转矩-速度特性。这些变化的示例包括改进的磁性设计,该设计增加了转子和定子之间的磁通量,增加了电动机中的极对数,并增加了绕组密度。

  但是对于机械制造商和最终用户而言,通常可以通过使用斩波器驱动来改善给定步进电机的扭矩产生。

  斩波驱动电压可提供更好的转矩-速度特性

  

步进电机性能


  向电动机绕组提供更高的电压可有效地将转矩-速度曲线“压出”,从而在更高速度下产生更高的转矩。

  斩波器驱动器向电动机提供高电压(通常是标称电压的八倍),根据欧姆定律(电流=电压÷电阻),这会导致更高的电流通过绕组。

  

步进电机性能


  当驱动器检测到电流已达到预定值时,电源关闭或“切断”。当电流降至某个水平以下时,高压电源再次打开。

  这种电压斩波方法还提高了电流上升速率(dI / dt)。因此,通过增加驱动电压,即使在脉冲频率较高时,绕组也可以达到较高的电流水平,这意味着以较高的速度产生更多的转矩。