五相和二相混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的新比較
任 雷，程 智，韓光鮮，王宗培
(1．清華大學(xué)，北京100084；2．浙江大學(xué)，浙江杭州 310027；
3．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘 要：混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合性能一方面依賴(lài)于電機(jī)本體的設(shè)計(jì)水平，但在很大程度上還跟隨并取決于驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展水平。不同于傳統(tǒng)整、半步驅(qū)動(dòng)方式下的比較，作者在當(dāng)今不斷發(fā)展并日趨成熟的基于電流控制技術(shù)的微步驅(qū)動(dòng)方式下，對(duì)五相和二相混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合性能作了新的比較。指出在新的驅(qū)動(dòng)方式下，相對(duì)較低成本的二相系統(tǒng)的綜合性能能夠達(dá)到并有可能超過(guò)高性能的、昂貴的五相系統(tǒng)的綜合性能，在今后的一個(gè)技術(shù)發(fā)展時(shí)期內(nèi)將成為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的主流。
關(guān)鍵詞：五相系統(tǒng)；二相系統(tǒng)；綜合性能；整半步驅(qū)動(dòng)；微步驅(qū)動(dòng)；電流控制
1 引 言
當(dāng)今步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以應(yīng)用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主。經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展形成了兩個(gè)最基本的系列產(chǎn)品，最早發(fā)展的定子8極轉(zhuǎn)子50齒的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本系列和70年代中期開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的定子10極轉(zhuǎn)子50齒的五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本系列。
步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳統(tǒng)的整、半步控制技術(shù)的發(fā)展已相當(dāng)成熟，****典型意義的驅(qū)動(dòng)方式為pwm恒流控制，電流開(kāi)環(huán)升頻升壓控制，以及一種折衷型的升頻升壓型恒流控制。按照傳統(tǒng)的觀念，認(rèn)為五相系統(tǒng)與二相系統(tǒng)相比，運(yùn)行特性有顯著的優(yōu)勢(shì)[1]。主要表現(xiàn)在(1)分辨率提高。(2)啟動(dòng)頻率提高。(3)運(yùn)行的頻域增寬。(4)振蕩的趨勢(shì)減弱，噪聲下降，運(yùn)行的平穩(wěn)性改善。(5)定位轉(zhuǎn)矩減小。它的不足是功率驅(qū)動(dòng)電路相應(yīng)增加了相數(shù)，因而提高了成本。總之，認(rèn)為五相混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是高性能和昂貴的系統(tǒng)，為要求運(yùn)行性能高的應(yīng)用場(chǎng)合所采用。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求的提高，五相系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大成了僅次于二相系統(tǒng)的基本系列產(chǎn)品。
近代步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，主要是建立在電流控制技術(shù)基礎(chǔ)上的微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和日漸成熟，使步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展有了新的方向。微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)使二相電動(dòng)機(jī)不必增加相數(shù)，分辨率也可以提高，要達(dá)到與五相系統(tǒng)一樣的分辨率也十分容易。這樣五相系統(tǒng)由于分辨率提高而獲得的運(yùn)行性能的提高同樣也可以在二相系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，而且二和系統(tǒng)可以方便地兼容五相系統(tǒng)的分辨率，從而使二相系統(tǒng)和五相系統(tǒng)綜合性能的對(duì)比有了新的概念和內(nèi)
容。這種新的對(duì)比在理淪和技術(shù)上都具有豐富的內(nèi)函．對(duì)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)的發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。
2 新的比較
傳統(tǒng)的整、半步驅(qū)動(dòng)方式，邏輯通電狀態(tài)數(shù)隨著相數(shù)的增加而增加，因此轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同的電動(dòng)饑，分辨率便直接由相數(shù)決定。轉(zhuǎn)子50齒的二相、五相電動(dòng)機(jī)，步距角分別為1．8o／0．9o和o．72o／o．36o，每轉(zhuǎn)步數(shù)n。分別為200／400和500／1000。傳統(tǒng)結(jié)論認(rèn)為五相系統(tǒng)較二相系統(tǒng)在上述(2)、(3)、(4)方面有顯著的優(yōu)勢(shì)，正是由于分辨率提高的直接結(jié)果。
基于電流控制的微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能夠相當(dāng)精確地控制電流的波形。二相系統(tǒng)只要增加電流波形的階梯數(shù)，就可以提高分辨率，要達(dá)到與五相系統(tǒng)一樣的分辨率也很方便。這樣二相系統(tǒng)的啟動(dòng)頻率、運(yùn)行頻域和運(yùn)行平穩(wěn)性也相應(yīng)提高，運(yùn)行性能便不比五相系統(tǒng)低，而且會(huì)更加靈活。
上述提到五相系統(tǒng)的定(立力矩小的優(yōu)點(diǎn)，足因?yàn)槲逑嚯妱?dòng)機(jī)定子10極結(jié)構(gòu)能消除4次諧波轉(zhuǎn)矩。而二相電機(jī)8級(jí)結(jié)構(gòu)各極下的4次諧波轉(zhuǎn)矩相位相同而迭加造成二相系統(tǒng)的定位轉(zhuǎn)矩較大。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在二相電動(dòng)機(jī)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用定轉(zhuǎn)子不等齒距的結(jié)構(gòu)讓每激上的4次諧波轉(zhuǎn)矩自我抵消的方法來(lái)解決。
影響步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性的因素很多．也很復(fù)雜。但五相和二棚系統(tǒng)相比，單就電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)，二相系統(tǒng)應(yīng)該比五相系統(tǒng)好。因?yàn)槎嚯妱?dòng)磁系統(tǒng)足完全對(duì)稱(chēng)的。五棚電動(dòng)饑則不然，在設(shè)計(jì)上存在著固有不對(duì)稱(chēng)的缺點(diǎn)，即所謂“人工錨位”的設(shè)計(jì)。這種磁系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)會(huì)造成五相電機(jī)的主要參數(shù)如繞組電感和旋轉(zhuǎn)電壓系數(shù)的不對(duì)稱(chēng)，從而造成電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，而影響系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性。
可見(jiàn)，在新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展條件下，增加棚數(shù)提高分辨率使運(yùn)行性能提高的優(yōu)越性已不復(fù)存在，壓而使驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜化，制造成本增加。也就是五訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)二相系統(tǒng)在逐步失去性能上的優(yōu)坍的同時(shí)，二栩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)義在引起技術(shù)和市場(chǎng)的重視，從而使二相系統(tǒng)在今后一定的技術(shù)發(fā)展時(shí)期成為主流系統(tǒng)。
3 實(shí)例對(duì)比
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