步進電動機的失調(diào)角及精度
王宗培 陳敏祥 (哈爾濱工業(yè)大學)
【摘 要】步進電動機象同步電動機一樣，在負載轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子磁極中心線將滯后于氣隙磁場的中心線一個角度，稱為失調(diào)角。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，負載失調(diào)角對應于一定的失動量。用脈沖當量來衡量失動量的值時，它與電動機的通電方式，主要是邏輯通電狀態(tài)數(shù)，即通常所說的運行拍數(shù)有關(guān)。由此明確了微步驅(qū)動技術(shù)在開環(huán)控制系統(tǒng)中應用的局限性。
【敘 詞】步進電動機，開環(huán)控制，精度，失調(diào)角，／失動量
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(guān)心的一個問題。步進電動機常常運行在開環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)。步進電動機應用系統(tǒng)的設(shè)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(zhuǎn)矩十分小的系統(tǒng)來說是正確的；而對于負載轉(zhuǎn)矩較大的系統(tǒng)，步距角誤差很可能不是十分重要的，失調(diào)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(chǔ)的說明，并討論一些與失調(diào)角有關(guān)的精度問題，對步進電動機應用系統(tǒng)的設(shè)汁者，有一定的參考價值。
2 失調(diào)角[1]
步進電動機在某一通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子不帶負載轉(zhuǎn)矩時有一定的穩(wěn)定平衡位置，如圖la中的0點，可用圖lb說明這時轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子受到作用轉(zhuǎn)矩tl時，便偏離穩(wěn)定平衡點，轉(zhuǎn)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****靜轉(zhuǎn)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(diào)角。可見，失調(diào)角的值取決于通電狀態(tài)、負載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角失動量
在控制系統(tǒng)中，步進電動機作為執(zhí)行元件，通過傳動機構(gòu)帶動控制對象運動，例如數(shù)控機床中的刀具或工件。傳動機構(gòu)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(xiàn)出一定的負載轉(zhuǎn)矩，因此也就引起相應的失調(diào)角。根據(jù)不同情況，負載轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(diào)角也就接近于零；對于控制數(shù)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(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩，它對電動機有一定的不確定性，但在正、負****值之間。
負載轉(zhuǎn)矩引起的失調(diào)角，使步進電動機開環(huán)運行時有可能失去一定的運動量(角位移)。例如，設(shè)步進電動機帶動一工作臺負載，負載的轉(zhuǎn)矩特性如圖2a所示。設(shè)在準備狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子恰好在0點，對應的失調(diào)角為零。給電動機加一系列控制脈沖信號，定子磁場轉(zhuǎn)過了θ角，或者對應的穩(wěn)定平衡點轉(zhuǎn)過了θ角，這時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度很可能是θ’，比θ差了一個失調(diào)角δ(δ為負值)。
可見，轉(zhuǎn)子似乎轉(zhuǎn)到最后，少走了δ角，事實上這部分少轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁極中心線拉開的距離小于δ時，電磁轉(zhuǎn)矩的值比t∫小，轉(zhuǎn)子便不會動，直到θ的值超過δ為止。
同樣，當電動機正向轉(zhuǎn)過θ角后，又反向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩也反向，轉(zhuǎn)子仍產(chǎn)生滯后于運動方向的失調(diào)角，如圖2c所示。不難看出，電動機反走時轉(zhuǎn)角失動量為2δ。與前相似，失動量是在反轉(zhuǎn)開始階段產(chǎn)生的。因為本來超前于轉(zhuǎn)子δ角的定子磁極中心線，反轉(zhuǎn)運動剛一開始，變成滯后于轉(zhuǎn)子δ角。只有當定子磁極轉(zhuǎn)過2δ時，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩才足以與t∫平衡，能帶動轉(zhuǎn)子運動。所以，只要反轉(zhuǎn)運行，不論行程是多少，都可能產(chǎn)生這樣的轉(zhuǎn)角失動量(θl)
| 
