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步進馬達的基本特性
步進馬達的基本特性

使用步進馬達時,馬達的特性是否合乎使用條件,是相當重要的一點。
在此就步進馬達使用時的重要特性說明之。
步進馬達的特性可大略分為兩項。

● 動態特性:

這是與步進馬達起動或回轉時有關的特性,主要會影響機器的動作、週期時間等。

● 靜特性:

這是與步進馬達停止時角度變化有關的特性,主要會影響機器的精度。

轉速-轉矩特性

動態特性
轉速―轉矩特性

表示驅動步進馬達時的轉速和轉矩的關係,如上特性圖所示。
這是選用步進馬達時所必須考慮的特性。橫軸代表馬達出力軸的轉速,而縱軸則代表轉矩。
轉速―轉矩特性取決於馬達與驅動器,因使用之驅動器的種類不同將產生很大的差異。

① 激磁最大靜止轉矩(TH:Holding Torque)

步進馬達在通電狀態(額定電流)下停止時,所能保持的最大保持轉矩(保持力)。

② 脫出轉矩(Pullout Torque)

各轉速所能產生的瞬間最大轉矩。
選用馬達時,必要轉矩須在本曲線的內側。

③ 最大自起動頻率(fS)

步進馬達於摩擦負載、慣性負載為0時,可瞬間(無加減速時間)起動、停止的最大脈波速度。
使用超過此脈波速度驅動馬達時,須逐漸加減速。隨馬達承載的慣性負載增加,此頻率亦逐漸降低。
(請參考慣性負載―自起動頻率特性圖)

最大響應頻率(fr)

步進馬達於摩擦負載、慣性負載為0時,進行緩慢的加減速時可運轉的最大脈波速度。
下圖為代表5相步進馬達組合的轉速―轉矩特性。

慣性負載―自起動頻率特性

表示自起動頻率因慣性負載而產生變化的特性。
步進馬達的轉子本身或負載,因有慣性慣量存在,因此於瞬間起動或停止時,馬達軸會產生延遲或超過的現象。
此一數值會隨脈波速度而變化,但是若超過某一數值時馬達將無法追上脈波速度,而產生失步(miss-step)現象。
此一即將失步前的脈波速度就稱為自起動頻率。

慣性負載-自起動頻率特性

相對於慣性負載的最大自起動頻率之變化可以下列公式算出近似值。

fS...............................馬達本體的最大自起動頻率[Hz]
f.........................有慣性負載時的最大自起動頻率[Hz]
JO................................................轉子慣性慣量[kg·m2]
JL................................................負載慣性慣量[kg·m2]
振動特性

步進馬達是以連續的步級狀態移動回轉。其步級狀態的移動會產生如下所示的1 STEP響應。
① 停止狀態的步進馬達輸入1脈波時,會朝下一個步級角加速。
② 加速後的馬達通過步級角並過衝(OVERSHOOT)某個角度後,會朝反方向被拉回。
③ 如此般衰減振動後,將於既定的步級角位置停止。

1STEP響應

產生此一衰減振動的步級狀態之移動即為低速運轉時的振動原因。
振動特性所表現的特性即是步進馬達運轉中的振動之大小。
振動幅度越小運轉越順暢。

振動特性

靜特性
角度―轉矩特性

將馬達以額定電流激磁,並由外部朝馬達出力軸施加轉矩,使得轉子角度產生變化,此時角度與轉矩的關係稱為角度―轉矩特性。下圖即其特性之表示。

角度―轉矩特性

在上示特性圖中,各點上的定子與轉子的小齒之位置關係表示如下。
在安定點①平衡並停止時,於馬達出力軸施加外力,則會於往左方向產生欲將之拉回安定點①的轉矩T(+),並與外力取得平衡的角度上停止。②
繼續增加外力時,即會有一角度其發生轉矩達到最大。此時的發生轉矩稱為激磁最大靜止轉矩TH。③施加超過此一轉矩的外力時,就會通過不安定點⑤,並產生與外力同方向的轉矩T(−),移動到下一個安定點①後停止。

安定點:

係指定子與轉子的小齒於完全相對的位置而停止之點。此點非常的安定,當外力為0時一定會於此點上停止。

不安定點:

係指定子與轉子的小齒互相偏差1/2螺距的位置。為一非常不安定的狀態,施加些微的外力將使轉子往右邊或左邊的安定點移動。

角度精度

步進馬達在無負載狀態時,將保持±3分(0.05˚)以內的角度精度。此一些微的角度誤差之原因主要是來自轉子與定子的機械性精度,以及定子線圈上些微的電阻之不同所造成的。
步進馬達的角度精度一般是以下列之靜止角度誤差來表示。

靜止角度誤差:
指的是轉子在理論上和實際上停止位置的差距。此一差距所代表的是將轉子的任意停止位置作為出發點,於每1步級進行測量,共測量360˚時的(+)最大值及(−)最大值之間的寬幅。

雖然靜止角度誤差的角度在±3分以內,但這是在無負載條件下的數值。
但實際用途上必然有摩擦負載的存在。
此時,角度精度可從角度―轉矩特性看出,將因摩擦負載不同而產生不同之角度變位。當摩擦負載一定時,若朝同一方向運轉則變位角度一定,但若從正反兩方向進行運轉,則往返間將產生兩倍的變位角度。
因此若要求停止精度時,務必只朝單一方向進行定位。