| 1 引 言 步進電動機作為伺服控制器件，它的運行精度是人們十分關心的一個問題。步進電動機常常運行在開環系統中，沒有位置檢測元件及反饋控制，因此運行的精度主要取決于步進電動機本身及機械傳動系統。步進電動機應用系統的設計者，往往對步進電動機的步距角精度提出要求，以期得到較好的運行精度。事實上，這對于負載轉矩十分小的系統來說是正確的；而對于負載轉矩較大的系統，步距角誤差很可能不是十分重要的，失調角的影響可能更大一些，可是常常被忽視了。為此有必要對這個問題作一些基礎的說明，并討論一些與失調角有關的精度問題，對步進電動機應用系統的設汁者，有一定的參考價值。2 失調角[1] 步進電動機在某一通電狀態下，轉子不帶負載轉矩時有一定的穩定平衡位置，如圖la中的0點，可用圖lb說明這時轉子的位置。轉子受到作用轉矩TL時，便偏離穩定平衡點，轉子磁極中心線滯后于定子磁極中心，可用圖lc表示。TL不超過最大靜轉矩TK時，將在一新的位置達到平衡，如圖la中的A。A點偏離0點的角度δ便是該運行情況下的失調角。可見，失調角的值取決于通電狀態、負載轉矩的大小及矩角特性的波形。要知道它的精確值不是一件容易的事情，但是對它作一些估算和定性的分析是不難的。常常假定矩角特性是正弦波曲線。即3 轉角失動量在控制系統中，步進電動機作為執行元件，通過傳動機構帶動控制對象運動，例如數控機床中的刀具或工件。傳動機構和控制對象都是電動機的負載，在工作過程中運動或靜止時，都會表現出一定的負載轉矩，因此也就引起相應的失調角。根據不同情況，負載轉矩可能是恒定的，也可能是變化的；可能相當大，也可能很小；還可能是一個不完全確定的值。以數控車床為例，對控制刀具進給的步進電動機，在切削量不同時，所承受的負載轉矩便不同，重切時有較大的負載，如在大型平面繪圖儀中，步進電動機帶動繪圖頭運動系氣浮支撐，運動時摩擦阻力很小，對電動機來說可忽略不計，相應地它的失調角也就接近于零；對于控制數控線切割機床工作臺運動的這類負載的電動機，主要承受傳動機構的摩擦轉矩，它對電動機有一定的不確定性，但在正、負最大值之間。負載轉矩引起的失調角，使步進電動機開環運行時有可能失去一定的運動量(角位移)。例如，設步進電動機帶動一工作臺負載，負載的轉矩特性如圖2a所示。設在準備狀態時，轉子恰好在0點，對應的失調角為零。給電動機加一系列控制脈沖信號，定子磁場轉過了θ角，或者對應的穩定平衡點轉過了θ角，這時轉子轉過的角度很可能是θ’，比θ差了一個失調角δ(δ為負值)。 可見，轉子似乎轉到最后，少走了δ角，事實上這部分少轉過的角度，在運動的一開始就失去了。在運動剛開始，θ不大，即定子磁極中心線與轉子磁極中心線拉開的距離小于δ時，電磁轉矩的值比T∫小，轉子便不會動，直到θ的值超過δ為止。 同樣，當電動機正向轉過θ角后，又反向轉回θ角，即定子磁極中心線退回到原來位置時，由于反向運動時負載轉矩也反向，轉子仍產生滯后于運動方向的失調角，如圖2c所示。不難看出，電動機反走時轉角失動量為2δ。與前相似，失動量是在反轉開始階段產生的。因為本來超前于轉子δ角的定子磁極中心線，反轉運動剛一開始，變成滯后于轉子δ角。只有當定子磁極轉過2δ時，產生的電磁轉矩才足以與T∫平衡，能帶動轉子運動。所以，只要反轉運行，不論行程是多少，都可能產生這樣的轉角失動量(θL)4 失動量與通電方式的關系 轉角失動量由負載對應的失調角引起，失調角的極限值約為(電弧度)或90°(電角度)，與通電方式沒有直接的關系。如果討論執行機構的失動量，就不一樣了。如執行機構運動的脈沖當量為△s，而電動機_個邏輯通電循環有m1種通電狀態。由于電動機經m1步轉過一個齒距角，失調角的極限值(電弧度)對應于步，它對應的執行機構的線位移為 正反運動一次，由負載失調角造成的失動量，其最大極限值不超過上述值的2倍，即 例如，三相反應式步進電動機，半步方式即三相六拍運行時 從精度的角度來看，已是一個可觀的數量。當然，實際系統在定位時，傳動系統表現出的負載轉矩遠小于選用步進電動機的最大靜轉矩，因此失動量也遠小于式(11)所示的極限值(SL)max。但是可看出，越是邏輯通電狀態數(m1)多的電動機，越應引起注意。5 微步驅動技術在開環系統中應用的局限性 以上分析表明，由失調角引起的失動量，隨著電動機運行拍數的增加而增大。通常步進電動機的運行拍數主要取決于相數，不是很大的數值。但是在步進電動機采用微步驅動技術時，運行拍數就幾乎不受限制了，m1的值可達到數以千計，失調角和失動量對應的脈沖當量數可能相當可觀。 現舉例對比說明。設有一大型精密工作臺，用步進電動機通過滾珠絲杠傳動，滾珠絲杠的螺距為4mm。要求步進電動機與絲杠直接連接，中間不加減速齒輪，脈沖當量為△s=0.001mm。即要求每轉4000步的步進電動機。選用步進電動機可有二種不同的方案。①采用五相混合式步進電動機90BYG550A，它的最大靜轉矩TK=2N·m，步距角θb=O.36。(4-5通電)。讓它四細分運行，步距角細分后為θ’b=O.O9°，即五相八十拍運行，m1=80[2]；②采用五相混合式步進電動機90BYG5200A(杭州哈杭電伺服技術研 方案(1)的失動量大得多，再加上其他因素的影響，失動量可能超差，不滿足使用的要求。 以上二種方案中的步進電動機，它們的尺寸、轉矩幾乎一樣，運行時的分辨率也相同。但是后者轉子有較多的齒數(zr=200)，因而有較小的步距角，前者則轉子齒數較少(zr=50)，靠電路細分(微步技術)獲得同樣小的步距角。這二種系統似乎有相同的性能和功能，但事實上不一樣，后者具有更大的“剛度”，即加同樣負載時，機械失調角小(雖然電危度栩同)。6結論 微步驅動技術，如果僅僅用來提高電動機運轉的平穩性，那末可無限地細分，直到它的電流波形趨近于連續變化。如果用在閉環控制系統中，根據位置檢測來定位也一樣。但是，如果應用在開環系統中，要求足夠的定位精度時，那就有相當的局限性，主要可應用在負載轉矩幾乎為零或很小的場合，或者反過來講，在這種應用場合下，電動機的帶載能力很小，并不是電動機帶不動負載，而是說負載增大時很容易引起超差而受到限制。 |
