1引 言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特性，如牽出特性、牽入特性、保持轉(zhuǎn)矩特性及矩角特性等，都較為大家所熟悉。但是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還有一項(xiàng)較為特殊但很為重要的特性——振動(dòng)特性，尚較為生疏，缺乏對(duì)它的系統(tǒng)完整的認(rèn)識(shí)，這一方面可能是由于對(duì)振動(dòng)特性影響的因素很多，較難掌握其規(guī)律性；一方面由于對(duì)振動(dòng)特性定量研究的方法和手段不完善。
作者建立的振動(dòng)特性測(cè)試系統(tǒng)[1]，為實(shí)驗(yàn)研究步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)特性提供了手段，進(jìn)而建立了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)特性的仿真模型和方法[2]，解決了對(duì)振動(dòng)特性的定量分析和計(jì)算，本文用實(shí)驗(yàn)和仿真的方法系統(tǒng)地分析和介紹不同的參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響，有利于對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)一步了解和掌握，對(duì)設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用系統(tǒng)的工作者都是必要的。
為使所研究的結(jié)果有現(xiàn)實(shí)意義和代表性，本文的研究結(jié)合實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行，實(shí)際系統(tǒng)由應(yīng)用最為廣泛的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和近代電流型驅(qū)動(dòng)器組成。
2振動(dòng)特性的一般說(shuō)明
振動(dòng)特性用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度波動(dòng)的振幅與控制脈沖頻率的關(guān)系表示，是衡量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的重要特性，振動(dòng)特性的特點(diǎn)是在不同的頻域會(huì)出現(xiàn)一些峰值點(diǎn)和振幅增大的區(qū)間，前者是某一諧波轉(zhuǎn)矩的頻率與固有頻率相一致的諧振點(diǎn)；后者則屬于零阻尼或負(fù)阻尼狀態(tài)的不穩(wěn)定區(qū)。
圖1表示實(shí)測(cè)的典型的振動(dòng)特性，被測(cè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一臺(tái)86BH250B型二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，基本技術(shù)數(shù)據(jù)為：相繞組電阻R=1.2Ω，電感l(wèi)=10. 0mH，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=2.4×10-4kg．，旋轉(zhuǎn)電勢(shì)系數(shù)Ke=0. 028 6V/(rad/s)，阻尼系數(shù)p=l.4×10-4Nm/(rad/s)，額定相電流1= 3A;保持轉(zhuǎn)矩Tk≥5Nm，定位轉(zhuǎn)矩To=0.15Nm，轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z= 50，配套的電流控制型驅(qū)動(dòng)器通電狀態(tài)數(shù)可以為m=1、4、8、10或20，功放級(jí)電壓實(shí)驗(yàn)時(shí)為30V。
2.1頻域的劃分
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有自己的固有頻率或自然頻率，工程上用下式估算：
將被試電機(jī)的數(shù)據(jù)代人為：
習(xí)慣上把fcp=fo附近及以下的頻域稱為低頻段；高頻段的劃定不是根據(jù)頻率的絕對(duì)值，通常以fcp=mifo附近及以上的頻域稱為高頻段，以上二個(gè)頻域之間稱為中頻段。
以圖la的特性為例，fo≈160脈沖／s，m1=20，大體上的劃分可認(rèn)為，200脈沖／s以下為低頻段，3 000脈沖／s以上為高頻段，200～3 000脈沖／s之間稱為中頻段。圖la的特性按頻段劃分可以看出，在低頻段fcp=160脈沖／s處有一峰值，這就是通常所說(shuō)的低頻諧振點(diǎn)；中頻段在fcp=400脈沖／s和800脈沖處有諧振點(diǎn)，且fy=5fo處的振幅較高，比較突出；高頻段在fe=3 200脈沖／s附近有一振蕩區(qū)，在fp>3 600脈沖／s處有較明顯的不穩(wěn)定區(qū)。
2.2基本電磁周期
步進(jìn)電機(jī)是在不同頻率輸入脈沖的控制下，按一定的邏輯狀態(tài)循環(huán)通電而運(yùn)轉(zhuǎn)的，因此存在著二種基本電磁周期，其一是拉制脈沖頻率fcp的倒數(shù)，即控制脈沖周期：
另一是以通電邏輯循環(huán)為周期的電磁系統(tǒng)基波周期，如果電動(dòng)機(jī)的邏輯通電狀態(tài)數(shù)為m1，則有：
電機(jī)繞組電壓、電流的基波頻率為：
相應(yīng)地對(duì)圖la振動(dòng)特性上的諧振點(diǎn)有二種提法，例如fcp=160脈沖／s處的諧振點(diǎn)，對(duì)于控制脈沖周期的激擾，是它的基波頻率與固有頻率相一致；對(duì)于基本電磁周期，則是它的m1=20次諧波頻率與固有頻率相一致，同樣，fcp= 800脈沖／s處的諧振點(diǎn)，對(duì)于控制脈沖周期是吉次的次諧波振蕩，而對(duì)于基本電磁周期則是4次諧波的振蕩，兩種出發(fā)點(diǎn)都可以，哪一種能較直觀地闡明振蕩的機(jī)理就從哪一種角度去提出。
3通電狀態(tài)數(shù)的影響
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是在不同頻率的輸入脈沖控 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，除了通電狀態(tài)數(shù)不同以外，其他驅(qū)動(dòng)條件也都在一樣情況下測(cè)出。圖lb是整步運(yùn)行、步距角最大、分辨率最低的情況，表現(xiàn)出較嚴(yán)重的低頻諧振現(xiàn)象，在fCP=fo(160脈沖／s)處有較突出的諧振點(diǎn)，在fep處也有明顯的諧振點(diǎn)。圖1a為20狀態(tài)運(yùn)行，提高了分辨率，低頻段的諧振現(xiàn)象不明顯。仍有一諧振點(diǎn)，但角速度振動(dòng)的峰值不大，不到整步時(shí)的百分之40，處已感覺不出諧振點(diǎn)，且提高分辨率以后同樣fo對(duì)應(yīng)的角速度按比例地降低了。
圖1b的曲線表明，在600～1 500脈沖／s之間有明顯的不穩(wěn)定區(qū)，圖1a的特性，通電狀態(tài)數(shù)增加后，高頻段相應(yīng)地改為L(zhǎng)≥3 000脈沖／s處，可看出不穩(wěn)定現(xiàn)象仍然存在，只是角速度波動(dòng)的幅值稍低一些，在中頻段fcp=400脈沖／s和800脈沖／s處有新的諧振點(diǎn)，這是微步驅(qū)動(dòng)時(shí)各微步之間轉(zhuǎn)矩不均勻產(chǎn)生的新的激擾所引起的諧振，可通過(guò)對(duì)參考電流波形專門的研究克服。
為了校核振動(dòng)特性的仿真模型和方法，對(duì)圖1的特性進(jìn)行仿真，所得結(jié)果如圖2所示，與圖lb的曲線相比較可看出，低頻段的曲線基本一致，諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率和峰值基本相符l高頻不穩(wěn)定區(qū)的頻域及角速度振蕩的幅值也大體相符，與圖1a昀曲線相比較可看出，低頻諧振點(diǎn)及峰值相一致，高頻不穩(wěn)定區(qū)的頻域相一致，角速度振蕩的振幅有些偏高}中頻諧振點(diǎn)的位置相一致，fep=800脈沖／s處的峰值稍偏低一些，fcp=400脈沖／s處的峰值偏差較大，這是由于轉(zhuǎn)矩合成時(shí)非線性影響未加精確考慮引起的，有待進(jìn)一步完善，總的來(lái)看，仿真結(jié)果能基本正確反映振動(dòng)特性的主要特征，用它研究不同參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響，主要看振動(dòng)特性的相對(duì)變化。
4功放級(jí)電壓的影響
圖3示功放級(jí)電壓值不同時(shí)的一條振動(dòng)特性，與圖2a相比較，可看出功放級(jí)電壓對(duì)振動(dòng)特性有明顯的影響。功放電壓增高時(shí)最明顯的影響是高頻不穩(wěn)定區(qū)向更高的頻域移動(dòng)；功放電壓改變時(shí)，低頻段的振動(dòng)特性基本不變；中頻諧振點(diǎn)位置不變，峰值有所增加。
采取措施對(duì)中頻振蕩加以抑制條件下，用提高功放電壓的辦法移開高頻不穩(wěn)定區(qū)，不失為提高運(yùn)行平穩(wěn)性的一種方便的方法。
5結(jié)論
(1)采用微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)提高分辨率，對(duì)改善低頻運(yùn)行的平穩(wěn)性有顯著的效果。
(2)微步驅(qū)動(dòng)對(duì)高頻不穩(wěn)定性有一定的影響，但不能消除，還需要采取其他措施消除。
(3)微步運(yùn)行時(shí)會(huì)引起中頻段新的諧振點(diǎn)，需要作專門的研究解決。
(4)提高功放電壓能使高頻不穩(wěn)定區(qū)向更高的頻域移動(dòng)，有利于提高一定頻域范圍內(nèi)運(yùn)行的平穩(wěn)性。
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