步进电动机的主要特性

4.2.4　步进电动机的主要特性

（1）步距角的步距误差

步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差。连续走若干步以后，上述步距误差形成累积值，因为转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，所以步进电动机步距的误差不会无限累积，在一转的范围内存在一个最大累积误差。步距误差和累积误差通常用度、分或者步距角百分比表示。影响步距误差的主要因素有：转子齿的分度精度、定子磁极与齿的分度精度；铁心迭压及装配精度；气隙的不均匀程度；各相激磁电流的不对称度。

（2）静态矩角特性

所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不产生步进运动的工作状态。步进电动机某相通以直流电流时，空载下该相对应的定、转子齿对齐，这时转子输出转矩为零。若在电动机轴上加一顺时针方向的负载转矩ML，步进电机转子则按顺时针方向转过一个小角度θ，并重新稳定，这时转子电磁转矩Mm和负载转矩ML相等，称Mm为静态转矩，称θ角度为失调角。描述步进电动机稳态时，电磁转矩Mm与失调角θ之间的曲线称为矩角特性或静转矩特性。

（3）启动惯频特性

在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。启动频率与机械系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上其他运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量。如图4-5所示启动频率与负载转动惯量之间的关系。随着负载惯量的增加，启动频率下降。若同时存在负载转矩；则启动频率将进一步降低。在实际应用中，由于负载转矩的存在，采用的启动频率要比惯频特性还要低。

图4-5　启动惯性特性

（4）连续运行频率

步进电动机启动后，当控制的脉冲频率在连续上升时，能不失步运行的最高脉冲重复频率称为连续运行频率。转动惯量主要影响运行频率连续升降的速度，而步进电动机的绕组电感和驱动电源的电压对运行频率高低影响很大。在实际应用中，由于启动频率比运行频率低得多，通常采用自动升降频的方式，先在低频下使步进电动机启动，然后逐渐升至运行频率。当需要步进电动机停转时，先将脉冲信号的频率逐渐降低至启动频率以下，再停止输入脉冲，步进电动机才能不失步地准确停止。

（5）矩频特性

矩频特性是描述步进电动机在负载惯量一定且稳态运行时的最大输出转矩与脉冲重复频率的关系曲线。步进电动机的最大输出转矩随脉冲重复频率的升高而下降，这是因为步进电动机的绕组是感性负载，在绕组通电时，电流上升减缓，使有效转矩变小。绕组断电时，电流逐渐下降，产生与转动方向相反的转矩，使输出转矩变小。随着脉冲重复频率的升高，电流波形的前后沿占通电时间的比例越来越大，输出转矩也就越来越小。当驱动脉冲频率高到一定的程序，步进电机的输出转矩已不足以克服自身的摩擦转矩和负载转矩时，步进电机的转子会在原位置振荡而不能作旋转运动，称作电动机产生堵转或失步现象。步进电动机的绕组电感和驱动电源的电压对矩频特性影响很大，低电感或高电压情况下，将获得下降缓慢的矩频特性，如图4-6所示。

图4-6　连续运行距频特性

由图4-6还可以看出，在低频区，矩频曲线比较平坦，电动机保持额定转矩。在高频区，矩频曲线急剧下降，这表示步进电机的高频特性差。因此，步进电机作为进给运动控制，从静止状态到高速旋转需要有一个加速过程。同样，步进电机从高速旋转状态到静止也要有一个减速过程。没有加速过程或者加减速不当，步进电动机会出现失步现象。