步进电机术语和参数指南

Browse News Categories

步进电机的操作不如有刷直流电机或无刷直流电机操作直观。因此,人们通常认为它们更难理解和 控制。然而,步进电机本质上是定位装置,相对于其他装置,更加能够满足为医疗和生命科学领域的 应用设计更简单、复杂度更低且更紧凑运动系统的要求。我们旨在通过简要概述步进电机技术和术语 (尤其是与目录研究相关)来促进这种理解。

步进电机简介

步进电机说明

步进电机将电子驱动的电脉冲转换为离散的机械步进,或旋转步进电机 的角步进。它们与同步无刷电机类似,因为它采用无刷设计,即电机的 相位借助驱动器进行电子换向。与有刷直流电机形成对比的是机械换向 系统,其特点是由电刷与集电器的机械接触来完成。

步进电机的结构与无刷直流电机非常相似,尤其是在电机转子和定子 方面:

1. 电机转子。 转子由铁磁齿形部件(即不带磁铁)制成,使其成为可 变磁阻步进电机,或由转子固定永磁体,使其成为永磁步进电机。 磁铁通常有很多极对,以确保高步进分辨率。

2. 电机定子。 定子由相位的线圈绕组组成,但相数与无刷电机不同。典型的永磁步进电机有 2 相, 而典型的无刷电机有 3 相。这些是市面上最常用的电机类型,但可以设计具有不同相位数的无刷 或步进电机。注意,可变磁阻步进电机至少有 3 相;否则,旋转方向将不确定。Portescap 的可 堆叠步进电机和盘式磁铁步进电机均为永磁步进电机,因此采用两相设计。

在大多数情况下,步进电机是通过独立于转子位置施加相位电流在开环下驱动的。只要相中保有电流 且不发生变化,则转子将在给定位置保持锁定状态。对于需要增量角运动的应用,在开环中使用步进 电机非常方便。在这种情况下,电机不需要任何反馈系统(比如编码器)来掌握转子位置。转子的位 置是直接基于电子组件要求的步数确定的。但是,必须精确了解施加在电机上的负载,以确保电机有 较强的动力,并防止失速和失步。

备注:在步进电机中添加编码器后,可以在闭环(类似无刷伺服电机)下驱动电机。由此,电机就可以发挥出最佳性能。 但是,由于增加了编码器并使用更先进的电子驱动器,这种配置非常复杂且成本高昂。

步进电机技术和应用

Portescap 产品组合中有三种主要的步进电机技术,分别是永磁步进电机、直线步进电机和盘式磁铁步 进电机。

1. 永磁步进电机 当需要合理的精度和适度的扭矩时,通常需要采用永磁步进电机。这种永磁步进 电机采用最简单的技术和设计来创建有效的解决方案;使用该技术的典型应用包括临床诊断和 阀门或天线定位。

2. 直线步进电机。 Portescap 的线性步进电机通过步进电机的简单运转产生平移运动,从而提供了 一种高成本效率、可靠的运动解决方案。可用的贯穿式设计减小了整体尺寸并产生纯平移运 动,而非贯穿式线性步进设计提供更长的行程。在医疗领域中,使用线性执行器的常见应用包 括注射泵、电动移液器以及护理点设备中组件的不同平移。该技术还用于 HVAC 阀门、用于调节 机构的工业自动化以及电信领域的天线定位。

3. 涡轮盘步进电机盘式磁铁步进电机采用独特的设计,具有超薄的磁铁盘。在给定尺寸下,这种 薄盘式磁铁能够提供比永磁步进电机更高的步进分辨率,低惯量使其能够提供更高的加速度, 短磁路带来的低铁损使其能够提供比传统步进电机更高的最高速度。因此,这些步进电机非常 适用于需要快速增量运动的应用,尤其适用于要求步进电机的运动精度以及无刷直流电机的 速度和加速度的应用;它们还非常适合移动应用、尺寸有限制的设备以及需要快速精确定位的 应用。

在医学领域,利用这些电机的典型应用包括电子移液管和给药系统,如胰岛素泵,因为电机可 以精确地分配目标体积,并且具有优异的可重复性。它们被用于半导体行业的拾放应用,因为 电机具有高动态性和极高精度,可实现最佳生产率;光学透镜定位也使用盘式磁铁电机,因为 它们结构非常紧凑,可为定位透镜提供高分辨率和良好的动态性。这种电机技术还用于纺织行 业中的纱线导向装置,包括开环和闭环操作,因其具有极高的动态性能来保证前后移动纱线导 向装置。

步进电机术语

了解步进电机的术语对于掌握该电机技术的扎实工作知识至关重要。某些参数在不同的电机技术之间 是通用的,比如电气参数(电阻、电感、额定电流)、热参数或惯量。然而,还有许多其他特性,如每 转步数,完全专用于步进电机。

备注:Portescap 目录中提供了与静态模式和动态模式下的步进电机性能相关的特定参数,以帮助进行正确选择。

内部参数

这些参数有助于评估电机的设计特性是否与应用性能兼容,或者它们将如何影响应用性能。

1. 每转步数。 这是电机在一整圈内可以完成的完整步数。它还对应于在全步进模式下驱动电机 时转子可以达到的稳定位置数量。它可以通过极对数和相位数来计算:每转步数 = 相位数 x 极对数。

2. 步进角。这是在一个完整步进中的旋转角度,通常以度为单位。它可以通过每转步数计算:步 进角 = 360° / 每转步数。

3. 转子惯量。 这是转子的惯性,以千克 x 平方米方 [kg.m^2] 为单位。

电气参数

这些参数对于选择驱动器和针对具体情况正确设置电子参数非常有用。

4. 典型每相电阻。 线圈绕组电阻,单位为欧姆 [Ω]。此参数取决于用于缠绕单相线圈的磁线的长 度和直径。

5. 典型每相电感。 线圈绕组电感,以 mili-Henry [mH] 为单位。这主要取决于磁路,与线圈圈数的平 方成正比。它通常以 1 kHz 的频率测量。

6. 电气时间常数。 这是时间常量 L/R(电感除以电阻),单位为秒 [s],表征了电机相位电流的一阶 指数上升。

此参数对步进电机非常重要,因为它对高速下的电机性能发挥着重要作用。由于步进器具有大 量磁极,换向频率较高;因此,让电流在相位上升的时间步长将变得太小,不能让电流完全建 立到其最大值 U/R。

7. 工作电压。 工作电压通常也被称为标称电压,单位为伏特 [V],它通常作为电压驱动器驱动电机 的指标。这是能够施加在电机的一个相位以达到电机额定电流的最大电压。我们可以利用欧姆 定律来验证这种关系,了解相位电阻: U = R x I.

8. 标称相电流(2 相通电)和标称相电流(1 相通电)。这是可以连续提供给电机的最大电流, 单位为安培 [A]。通常,电流值受热约束限制。电机可接受的最大焦耳损耗等于 ∆T⁄Rth.

以下为示例:

  • Rth = 50°C/W and ∆T = 100°C, so Pjoules = 100⁄50=2W
  • 电机的相位电阻为 R = 1Ω

在完整步进 1 相通电时:

Phase 1 Formula

但是,在完整步进 2 相通电时:

Phase 2 Formula

现在我们可以看到:

Results Formula

热参数

热参数有助于了解热限制,并验证电机可以安全运行,而不会过热。

9. 线圈最高温度。 这是线圈可以承受且不会发生损坏的最高温度,以摄氏度 [°C] 为单位。超过此 限制可能导致线圈烧毁并造成不可逆转的损坏。

10. 热阻线圈环境温度。 这是电机悬挂在空气中时线圈与电机周围环境空气之间的热阻,单位为摄 氏度/瓦 [°C/W]。该值反映了电机向环境空气散热的能力,在主动冷却(散热片、风扇)情况下 会降低。将电机连接到金属部件也会降低电机的热阻。

11. 环境温度范围。 电机可以安全运行的环境温度范围,以摄氏度 [°C] 为单位。注意,当在高于 25°C 的温度下运行电机时,需要调节电流以防止线圈过热。

静态模式下的电机性能

步进电机可用作定位设备。本节将说明电机在这些条件下的性能以及需要考虑的主要参数。

12. 保持扭矩,标称电流。 这是电机在额定电流下通电时产 生的最大静态扭矩,单位为牛米 [N.m]。实际上,可以 按额定电流给一相供电测量此扭矩,也可以逐步给电机 加载,直到它失去该步进来测量;还可以按额定电流 用 2 相通电来完成测量。达到的最大负载扭矩与电机的 保持扭矩相对应。

当施加的电流超过标称电流时,必须应用占空比,使线 圈温度低于最大额定值。当铁磁材料在提高电流的情况 下无法传导更多的磁场时,就会发生饱和,这意味着在 一定的相电流水平以上,电机产生的扭矩不再与电流成 比例地增加。但是,线圈中产生的焦耳损耗将与电流的 平方成正比增加:P焦耳 = R x I ^2.

对于某些电机,也可以在额定电流为 1.5 的情况下提供 保持扭矩,以理解磁路的饱和和“提高”电机的能力。 根据保持扭矩值,可以用以下公式确定电机扭矩常 数:Kt = T保持 / I 额定。通常不会为步进电机定义扭矩常量,因为无法达到保持扭矩。

即使不提及扭矩常数,反电动势也会在许多目录中有说明。扭矩常数可采用以下公式从反电动 势获得:Kt [Nm/A] = 反电动势 [V/rpm] * PI / 30。

13. 反电动势幅度。 反电动势幅度是当电机以给定的速度/步长频率反向驱动时,可在电机单相处测 量的以伏特为单位的幅值 0-峰值(图 4)。

以伏特/ 1000 步/秒 [V/kstep/s] 为单位给出。可以使用以下公式以 V/krpm 为单位转换:反电动势 (Back-EMF)[V/krpm] = 反电动势(Back-EMF)[V/kstep/s]*2*2*N/60,其中 N = 极对数。

14. 定位扭矩。 也称为残余扭矩,以牛米 [N.m] 为单位。目录中的定位扭矩通常是由于磁路和摩擦扭矩 (套筒轴承或滚珠轴承的摩擦)而导致的剩余扭矩的组合。无摩擦的定位扭矩通常是由电机未 通电时转子磁极在定子槽前的吸引力产生的。它是电机相位之一产生的扭矩的四次谐波。

定位扭矩可用于保持位置而不使电机通电,从而降低功耗。另一方面,定位扭矩将使总可用扭 矩变形,这在微步驱动时是不可取的。

15. 步进电机工作点和负载角度。 在此示例中,电机的摩擦扭矩被忽略。空载时,因为转子磁场和 定子磁场之间的电角度为 0°,电机不会产生任何扭矩。当这两个磁场之间的角度等于 90° 时, 将产生最大扭矩,也称为保持扭矩。在加载电机时,电机会达到平衡位置,此时 T电机 = T负载

负载状态下转子平衡位置与空载状态下转子理论平 衡位置之间的负载角应等于:

Equilibrium Formula

对于带有 N 极对的电机,机械角度等于:

Pole Pairs Formula

16.绝对精度(2 相通电,全步进模式)这是当电机通电 2 相接通(双相开启)时,每个完整步进与 理论步进角值的最大可能角偏差。以全步进角的百分比 [%] 表示。精度取决于多个参数,如摩 擦、定位扭矩引起的扭矩变形、饱和或机械部件公差。此误差为非累积误差。

动态模式下的电机性能

与其他电机技术相比,在动态条件下通过精确计算来确定电机扭矩并不容易。如前所述,在开环 (即,脉冲被发送到驱动器,一个脉冲代表一次步进或一个微步进移动),脉冲频率表示电机的速 度,而我们假设转子将执行运动。为了确保假设正确,我们必须确保负载扭矩不超过限制。对于这种 情况,通常为每个步进电机提供牵入和牵出扭矩曲线。请注意,始终为一个电机和一个特定变频器定 义这些曲线,因为驱动特性会影响电机的性能。

17.牵出扭矩。 牵出扭矩或动态扭矩是电机在给 定速度下可以提供的最大扭矩。由于在给定 的扭矩和速度下无法轻松计算电机性能,因 此,Portescap 提供了一个显示最大动态扭矩 与速度的曲线。测量时,我们首先通过增加 步进频率来达到无任何负载的速度。然后加 载电机,直到它失去同步。根据惯例,基于 应用的最大负载扭矩设定 30% 的安全裕度。 请注意,此牵出扭矩曲线将取决于所用驱动 器的类型。

18. 牵入扭矩。 牵入扭矩是当以给定的步进频率启动时可以施加在电机上的最大扭矩负载。与牵出 扭矩不同,牵入扭矩不会产生达到所需速度的加速斜率。如需测量牵入扭矩:

a. 电机锁定在一个位置。
b. 向电机施加负载。
c. 我们尝试通过产生恒定脉冲频率(无斜坡) 以不同速度启动。
d. 电机启动时的最高速度将是选择建立曲线 的值。

牵入扭矩将取决于所用的驱动器,通常设定 30% 的安全裕度。

19. 自然共振频率。 这对应于电机由于共振现象而 变得不稳定的步进频率(以每秒步数或赫兹 [Hz] 为单位。在每次步进之后,转子以其固有频率 振荡,振荡并稳定在目标角位置。以共振频率操作电机可能会导致丢步甚至倒退。要避免电机 共振,有多种选择:

  • 尽量不在此频率下工作;有时以更高的频率启动很 容易。
  • 如果电机通过基本共振频率,我们可以降低或增加电 流以更改频率。
  • 以微步方式驱动电机可以通过减小振荡幅度来实现更 平稳的运行,从而使电机不易发生共振。还需要注意 的是,此频率取决于负载惯量,公式如下:

Resonance Frequency Formula

20. 角加速度(标称电流)。这主要是一个优点指标,因为 它仅仅是一个纯理论计算值。这是当电机在空载时以额定 电流通电时,转子的弧度/秒平方 [rad/s^2] 表示的最大角加速 度。可以用以下公式计算:A最大值 = T保持 / J电机

总结

尽管步进电机可能不如其他电机技术更直观,但它们却是为各种应用提供动力的绝佳选择。我们希望 上述讨论能让您更好地了解步进电机,尤其是在技术、关键性能参数以及围绕它们的独特术语方 面。Portescap 的运动专家在为医疗和工业领域应用设计步进电机方面拥有数十年的经验。请立即联系 我们,寻求帮助。

联系工程师

Portescap 步进电机系列
图 1:最简单的永磁步进电机包括 转子上的一极对磁铁和定子上的 两相磁铁。这个简单电机每转的 总步数等于 2 极 x 2 相 = 4 步进。
图 2:在电机相位上施加电压步进 U,电流指数上升与时间的关系
图 3:P110 064 电机的扭矩饱和曲线。
图 4:步进电机中的反电动势振幅。
图 5:定位扭矩和摩擦扭矩测量。
图 6:因定位扭矩导致可用扭矩变形。
图 7:静态模式下步进电机的工作点
图 8:牵出扭矩曲线。红线和各点表示 它是如何通过迭代实际测量来构建的。
图 9:牵入扭矩曲线。红线和各点表示 它是如何通过迭代实际测量来构建的。
图 10:转子在每个电机步骤中 围绕稳定位置振荡。