步进电机动态特性的测量方法

　　步进电机动态特性

　　动态转矩特性包括驱动脉冲频率-转矩特性和驱动脉冲频率-惯量特性。

　　1）脉冲频率-转矩特性

　　脉冲频率-转矩特性是选用步进电机的重要特性。如下图所示，纵轴为动态转矩（dynamictorque），横轴取响应脉冲频率，响应脉冲频率用pps作为单位，即每秒的脉冲数表示。

　　

　　如图所示，步进电机的动态转矩产生包括失步转矩（pull-out-torque）和牵入转矩（pull-in-torque）两个转矩。前者称为失步或丢失转矩，后者称为起动或牵入转矩。牵入转矩范围为从零到最大自起动脉冲频率或最大自起动频率区域。牵入曲线包围的区域称为自起动区域。电机同步进行正反转起动运行，在牵入与失步区域之间为运转区，电机在此区域内可带相应负载同步连续运行，超出范围的负载转矩将不能连续运行，出现失步现象。步进电机为开环驱动控制，其负载转矩与电磁转矩之间要有裕度，其值应为50%~80%。

　　2）脉冲频率-惯量特性

　　步进电机在带惯性负载快速起动时，须有足够的起动加速度。因此如负载的惯量增加，则起动脉冲频率就下降，为此，在选择步进电机时对两者要进行综合考虑。

　　下图纵轴为最大自起动频率，横轴为负载惯量，曲线表示负载惯量与最大自起动脉冲频率之间的关系。此处以PM型爪极步进电机（两相，步距角7.5°）为例。负载PL下，最大自起动脉冲频率PL与负载惯量Jc的关系如下：

　　

　　式中，JR步进电机转子惯量，Ps为空载的最大自起动频率。

　　步进电机动态特性的测量方法

　　1、滑轮平衡法

　　此测定电机转矩的方法与普罗尼制动（pronybrake）原理相同。滑轮用线绕几圈，线一端挂弹簧秤，滑轮与线之间产生滑动摩擦测量转矩。下左图表示滑轮平衡法。

　　

　　根据左图，转矩T变成下式：

　　T=（F-f）（r+a）=Fr+Fa-fr-fa

　　上式中，f为线的张力，F为弹簧力，a为线的半径，r为滑轮的半径。

　　测量时，如f/F=0.01，a/r=0.01，则上式变成如下：

　　T=Fr（1-10-4）≈Fr

　　即式中的f、a被忽略。

　　此种方式的动态转矩计，釆用营原研究所的挂线（普罗尼制动）方式，电脑画面会显示转矩曲线。其挂线的形式如上右图所示。

　　2、磁滞制动法

　　因磁滞制动由低速到高速有稳定的制动力关系，转矩计使用很多，其原理为磁场中的磁滞力将对运行中的被测电机施加制动力制动。此时，反作用转矩会作用到磁滞转子的定子上，此时用测力器（loadcell）测出。

　　制动力用产生磁场的线圈电流能任意设定。但磁滞转子的惯量大是其缺点，输出转矩为100mN•m以下的小型步进电机普遍采用此方法。

　　3、扭力棒转矩测量法

　　利用棒的扭力角与转矩成比例的方法。扭力棒用2组刻度圆盘夹住，转矩加在棒上时，产生的扭力角度θ，用光学方法测量，再由下式计算转矩T：

　　θ=32LT/（πGD4）

　　式中，D为扭力棒直径，G为系数。下图表示扭力棒转矩测量法的使用原理。

　　

　　此种试验方法的优点是低惯量、高精度测量。此测力器（应变计）方式要求高灵敏度放大器，以便避免应变计的再调整，以应对转矩信号范围大的缘故。缺点是容易产生扭力振动等问题。