步进电机的线圈通直流电时,带负载转子的电磁转矩(与负载转矩平衡而产生的恢复电磁转矩称为静态转矩或静止转矩)与转子功率角的关系称为角度-静止转矩特性,这就是电机的静态特性。如下图所示:
因为转子为永磁体,产生的气隙磁密为正弦分布,所以理论上静止转矩曲线为正弦波。此角度-静止转矩特性为步进电机产生电磁转矩能力的重要指标,最大转矩越大越好,转矩波形越接近正弦越好。实际上磁极下存在齿槽转矩,使合成转矩发生畸变,如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波,加在正弦的静止转矩上,则上图所示的转矩为:
tl=tmsin[(θl/θm)π/2]
其中tl与tm各表示负载转矩和最大静止转矩(或称把持转矩),相对应的功率角为θl和θm,此位移角的变化决定了步进电机位置精度。根据上式得到:
θl=(2θm/π)arcsin(tl/tm)
pm型永磁步进电机和hb混合式步进电机的步距角θs在前面的课程中讲过即:θs=180°/pnr,角度改为机械角度(弧度),则变成下式:
θs=π/(2nr)
上式nr为转子齿数或极对数,所以两相电机θm=θs。
负载转矩为电磁转矩的负载(如弹簧力或重物的提升力等),电机如要正反向运动,会产生2θl的角度偏差,要提高位置精度,θl就要小,因此,依据式θl=(2θm/π)arcsin(tl/tm),应选择最大静止转矩tm大、步距角θs小的步进电机,即高分辨率电机。根据式θs=π/(2nr)可知,要使θs越小,nr越大越好。
另外,高分辨率的步进电机的转子结构大致分为pm型、vr型、hb型三种,其中hb型分辨率最好。
由于pm型定子磁极为爪级结构的关系,定子磁极数的增加受到机械加工的限制。hb型转子表面无齿,n极与s极在转子表面交替磁化,因此极数即为极对数nr,同样的,转子磁极nr的增加也受到充磁机械的限制。vr型转子齿数与hb型相同时,因不使用永磁体,虽有相同的nr,但是步距角θs为hb型的2倍,并且由于无永磁磁极,最大转矩tm比hb型小。
当两相步进电机外径为42mm左右时,nr=100齿,步距角0.9°,这 是实际使用中最高的分辨率。nr变大,电抗也增加,则高转速下转矩会下降。因此,nr=50,步距角为1.8°的电机被广泛使用。对hb型结构,全步进状态的步距角精度为士3%,步进电机运行角度θ=nθs,各步运行中无累积误差,电机的速度如足够大,尽可能提高n(θs小),以提高位置定位精度。