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      2. 步进电机电压说明

        文章来源:锐特步进电机 时间:2019-12-16 11:17:10 浏览:

          步进电机的“电压”通常是一个令人困惑的话题。许多电动机驱动器使用广泛变化的总线电压来操作步进电机。实际上,相同的步进电机可以(并且通常)在不同的系统中以不同的电压运行。同一电机如何在不同电压下运行?母线电压如何影响步进电机的性能?

          电流和扭矩–一些背景

          步进电机带有铭牌上的额定电流,绕组电阻,输出转矩和额定电压。重要值是当前额定值。转矩与绕组电流成正比。铭牌上的额定电流是产生电动机额定转矩输出所需的绕组电流。那么铭牌电压“额定值”从何而来?

          

         

          电动机的电压“额定值”可以简单地从电动机的额定电流和绕组电阻得出。上面显示的示例电动机的额定值为5 [A](每个绕组),绕组电阻为.5 [Ω]。因此,电动机的铭牌电压列为2.5 [V]。

          这是在稳态下向绕组产生5 [A]电流的电压 。但是,步进电机必须迅速改变其绕组中的电流,并且不能始终以稳定状态运行。不幸的是,电感与绕组相关(因为它是大线圈的线圈)。绕组电感可防止电流瞬时变化,并且在施加电压后需要时间来增加流经绕组的电流。

          一些分析

          熟悉的RL电路是一种简化但有启发性的电动机绕组模型:

          

          如果v是施加的输入电压,则可以通过熟悉的公式对该电路进行建模:

          

         

          生成拉普拉斯域名转移函数:

          

         

          使用此传递函数,可以分析步进电机绕组的动力学。通过施加电动机额定电压的阶跃输入(即,在t = 0 [sec]时施加2.5 [V]),问题变得更加明显。

          

         

          电机绕组的电感特性现在很明显。当绕组最终达到5 [A]时,要花费近10毫秒才能达到90%,而要花费16毫秒才能达到最终值的98%!

          尽管这听起来可能很快,但请考虑一下:普通的步进电机(包括示例电机)需要200步才能完成一个旋转。如果驾驶员在每个步骤上等待16毫秒以达到最大扭矩,则完成一圈将花费整整3.2秒!这在18.75 rpm下太慢了,这是无法接受的。如果仅以2.5 [V]的速度尝试加速,则意味着电机将无法达到完整的转矩输出。

          通过应用闭环控制,可以大大提高上升时间。

          

         

          通过应用控制,上升时间大大缩短。在这里重要的不是控制,而是控制作用-施加到电机绕组的电压。它从5 [V]开始–是铭牌电压的两倍!随着时间的流逝,施加的电压会衰减到电动机的稳态“额定”电压,但其到达速度要比自然响应快得多。这是斩波器驱动的目的,也是需要大总线电压的原因。增加驱动器的可用电压会减少达到稳态所需的时间,从而增加电动机的最大可能运行速度:

          

         

          即使只有5 [V],是额定电压的两倍,在自然响应的16毫秒上升时间内也取得了显着改善。进一步提高电压可产生更快的响应。

          更高母线电压的好处

          正如上一节所讨论的,主要好处是上升时间的缩短,这转化为更高的可能的运行速度。

          上升时间增加的其他好处包括更高的操作扭矩和更高的机械功率输出。随着上升时间的增加,绕组将在其额定电流下花费更长的时间,从而产生更高的时间平均转矩。由于现在的转矩输出更高,因此每rpm的机械输出功率会更高(因为P =?*? )。注意:这并不是说所有更高扭矩的电动机都更强大,因为它们通?;嵋运俣然蝗∨ぞ?讨论超出了本文的范围。

          不良副作用

          与任何工程决策一样,必须做出折衷。以更高的电压运行电动机将导致其更坚硬地运行。由于扭矩输出增加,电动机将趋于卡入到位,从而引起振动。如果电动机振动太大,可能会成为一个问题–它可能会失步或开始共振。由于这种振动,电动机还将产生更多可听见的噪声。

          其次,由于较高的施加电压导致电流增加,绕组功率损耗也随之增加。功率损耗会增加电动机的温度,如果温度过高,则会损坏电动机。

          总结思想

          步进电动机驱动器总线电压是可用于调整系统性能的工具。通过增加总线电压,驱动器继续运行,电动机的速度和转矩以及功率输出都将增加。由于这些优点,步进电机使用双极斩波器驱动器,其电压是其铭牌电压的许多倍。通常,12 [V]是用于驱动执行器电动机的最小电压,运动控制系统使用24 [V],48 [V]甚至80 [V]更高的电压。一个好的经验法则是,使用电动机铭牌电压的10到24倍作为系统总线电压。

        TAG 步进电机电压
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