各種電機(包括直線電機)，從磁場觀點去看，其運動均可視為定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用之結(jié)果，而且兩磁場間保持相對靜止，只是其作用角(兩磁場間夾角)不同而已。
直流電機：定子磁場為一固定磁場，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場相互垂直，并保持空間相對位置不變。
異步電機：定子磁場為旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子中導(dǎo)體切割定子旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電流，并在轉(zhuǎn)子中形成感應(yīng)磁場，該磁場跟隨定子磁場同步運行，兩磁場間夾角近似為90o。
同步電機：定子磁場為旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子電樞被直流激勵為一固定磁場，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場同步旋轉(zhuǎn)兩磁場夾角為0o。
步進電動機，無論是反應(yīng)式或混合式，都不外乎是一個轉(zhuǎn)子無外加勵磁電流的同步電機。在定子磁場激勵后，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場同步運行，并在空間的位置保持相對靜止，即夾角為0o，也就是處于最小磁阻狀態(tài)。當轉(zhuǎn)子與定子的“同步角差”大于步距角的一半時’則發(fā)生“失步”現(xiàn)象。
步進電動機的定子磁場激勵方法，除了因電機繞組相數(shù)不同而異外，即使是同一電機，也有不同方式，于是便產(chǎn)生了許多驅(qū)動電路。但歸結(jié)起來，這些旨在使步進電動機按“步進”方式運行的常規(guī)線路，在步進電動機定子中所激勵的磁場都是“步進”的脈動旋轉(zhuǎn)磁場。它們在不同程度上使用步進電動機的運轉(zhuǎn)特性存在著低速振蕩、高速力矩小，共振、失步、分辨率低、功耗大等缺點，以致不能達到和滿足對步進電動機執(zhí)行伺服所提出的高精度和高速度的要求。
對步進電動機的這些缺點，提出了新的驅(qū)動概念一步進電動機同步矢量運轉(zhuǎn)方式，并研制成功了SV系列步進電動機同步矢量伺服系統(tǒng)。
1系統(tǒng)計算機理論依據(jù)
基于步進電動機在磁場作用原理上的上述特點，設(shè)想在步進電動機定子中產(chǎn)生一個具有恒模場強的均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場，使步進電動機在該場的作用下同步平滑地運轉(zhuǎn)?，F(xiàn)以三相步進電動機為例，簡述其原理。
在步進電動機定子中要形成的均勻圓周旋轉(zhuǎn)磁場，如圖1所示。設(shè)P點為單位圓上的任意一點，矢量筇沿圓周均勻旋轉(zhuǎn)，模lOPl等于常數(shù)；為此，要建立一個數(shù)學(xué)模型，使三相繞組中流過的勵磁電流，在任意轉(zhuǎn)角都產(chǎn)生一滿足上述要求的合成磁場矢量
由圖1可得如下方程
整理并解方程得
同理可得
當然，這些也可用電磁場的理論求得，結(jié)果相同。它們是一組相位差為120o的雙峰曲線函數(shù)，其波形如圖2所示。
從圖2可看出，當三相步進電動機工作于單三拍、雙三拍、三一六拍等任意一種步進運行方式時，其相電流值僅僅是電流波形上的特殊點，如圖2中的Pl，P2,P3，P4……。它們在一個周期內(nèi)分別位于0o，60o，120o，180o，240o圓周角上，其幅值等于一個單位，即步進方式運行時，步進電機相電流的額定值。同時還可看出，相電流的每個周期，相當于步進電機步進方式運行時，三一六制的六步，或單三拍的三步。換言之，如BFll0型步進電動機。上述雙峰曲線每80個周期，可使它旋轉(zhuǎn)一圈。2 SV系列步進電機同步矢量伺服系統(tǒng)
SV系列步進電機同步矢量伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)上述原理的典型線路之一，該系統(tǒng)由函數(shù)發(fā)生器、功率驅(qū)動器、電源及保護電路等部分組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。
2.l函數(shù)發(fā)生器
為了實現(xiàn)直接數(shù)字化控制，需將所得出的相電流函數(shù)式進行離散。如對上式中進行離散得出
式中N為離散一個函數(shù)周期所劃分的合成矢量點數(shù)，它由實際所需要的分辨率確息；n為隨機輸入的脈沖數(shù)，N與，n均為正整數(shù)。實現(xiàn)函數(shù)離散表達式的函數(shù)發(fā)生器由一個N進制可逆計數(shù)器。ROM及D／A轉(zhuǎn)換器等組成，原理如圖4所示。
離散函數(shù)值固化于ROM中，輸入脈沖改變計數(shù)器的狀態(tài)，對ROM選址，把從ROM中所取出的相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過D／A轉(zhuǎn)換器使函數(shù)值重現(xiàn)于輸出端，為下級功率驅(qū)動器提供相電流函數(shù)雙峰曲線信號。
2．2功率驅(qū)動器
功率輸出級采用先進的PWM技術(shù)，輸出的雙峰曲線電流，直接驅(qū)動步進電機繞組。
2．3電源及保護電路
對小型步進電機和對轉(zhuǎn)速范圍要求不高的功率步進電機，一般采用固定電壓直接供給驅(qū)動級；對大、中型功率步進電機和在要求調(diào)速范圍較寬的使用情況下，則采用變壓電源(采用f-v變頻變壓技術(shù))以提高系統(tǒng)的矩一頻特性，并降低輸出驅(qū)動級的功耗，減少發(fā)熱現(xiàn)象。
保護電路采用高速電子自動保護技術(shù)，在發(fā)生過壓，短路或過流時，不致對系統(tǒng)造成致命性損壞。
現(xiàn)以BFl10型步進電動機為例，說明SV系列步進電動機同步矢量伺服系統(tǒng)中Ⅳ的選擇、進給脈沖、控制精度及分辨率之間的關(guān)系。為了兼顧與步進電動機直連的大多數(shù)常用傳動絲杠(如螺距為2、3、4、6、8、12mm等)，SV系列伺服系統(tǒng)一般取N=90,因此，步進電機定子所具有的等強度合成磁場矢量點數(shù)即等于90x 80=7200個，若與步進電機相連接的傳動機構(gòu)為每轉(zhuǎn)位移6mm，則在開環(huán)控制時，每12個脈沖位移10μ／m。進給脈沖與控制位移之間以一定數(shù)量的脈沖列為當量單位，并非步進方式的“一對一”關(guān)系，這對構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)尤為重要。
步進電動機繞組在函數(shù)波形為雙峰曲線的相電流激勵下，前沿平滑上升，克服了繞組電感在常規(guī)脈沖驅(qū)動線路作用時，使相電流不能突變而產(chǎn)生的過渡過程，有效地抑制了步進電動機運轉(zhuǎn)時的振蕩和升速過程中的共振等現(xiàn)象。在高速運轉(zhuǎn)時，相電流呈近似矩形，因此，大大提高了步進電動機的高速矩頻特性。步進電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，當輸入脈沖頻率為120Hz時，步進電動機轉(zhuǎn)速為lr／min；實測空載最高轉(zhuǎn)速超過3000r／min此時，輸入脈沖頻率按某種設(shè)定規(guī)律變化時，步進電機轉(zhuǎn)子亦相應(yīng)作升速、降速、恒速運行。改變可逆計數(shù)器的計數(shù)方向，即可改變步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。也就是說，當直流伺服系統(tǒng)是以O(shè)～±10V輸入電壓控制直流伺服電機反轉(zhuǎn)從0到最高轉(zhuǎn)速變化時，SV系列步進電動機同步矢量伺服系統(tǒng)則是以輸入脈沖頻率從0開始變化，來控制步進電動機轉(zhuǎn)速的。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，外特性硬度等均可與同功率直流伺服系統(tǒng)相毗美。系統(tǒng)采用TTL—數(shù)字電路電平，可與計算機直接接口。
提高步進電動機定子恒模合成磁場矢量等分點的個數(shù)，可提高步進電動機的分辨率和控制精度。如在鄭州某廠的應(yīng)用實例，BFll0型三相步進電動機，取N為125，(曾選用N=250)，步進電動機定子一周合成矢量點數(shù)即為125×80=10000個，在機床上與5mm滾珠絲杠直連，組脈沖當量為每1／μm兩個脈沖，經(jīng)反復(fù)實用測量，開環(huán)控制精度±2μm，重復(fù)定位精度±1μm，加工表面粗糙度為RaO．04μm，達到了加工工藝的高精度要求，當然，控制精度的進一步提高，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)，其原理框圖如圖5所示。
如果將步進電動機內(nèi)部繞組按三相交流電機改接，即成為一個集中繞組的三相交流步進電動機，這時定子中產(chǎn)生的均勻圓周旋轉(zhuǎn)磁場的相電流，即大家熟知的三相正弦交流，其最大幅值可減小為步進電機額定相電流的一半。
3結(jié)語
理論上，步進電動機定子可以用建立恒模合成磁場矢量的方法進行“無限”等分，以任意提高步進電動機的分辨率，但由于磁性材料的非線性和步進電動機本身的結(jié)構(gòu)以及工藝技術(shù)等各方面的問題，實際上，步進電動機的定子在相電流激勵下產(chǎn)生的合成磁場并非絕對均勻。
在一個函數(shù)周期內(nèi)，任意兩個相鄰脈沖問形成的定子磁場矢量角差，在相電流函數(shù)變化率較大與較小時相比較，與理論上的均勻性存在有偏差，因而影響步進電動機轉(zhuǎn)子微量轉(zhuǎn)角的均勻性(但每個函數(shù)的同期偏差基本保持一致)。這些，一方面可以從修正函數(shù)入手，另一方面，希望步進電動機生產(chǎn)廠家能在均勻性方面進行改進。
在函數(shù)電流驅(qū)動下的步進電動機已失去了其原來的“步進”意義，電機本身在該系統(tǒng)中僅作為伺服電機來使用。制造廠家應(yīng)盡量提高同一體積電機的轉(zhuǎn)矩和磁飽和裕量，以便開發(fā)出一種最完善的自適應(yīng)驅(qū)動系統(tǒng)。
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