步進(jìn)電動機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)
鄭松嶺 梁東杰(河南許昌汽車傳動軸總廠)
李海平 張衛(wèi)群
【摘要】針對步進(jìn)電動機(jī)存在著低速振蕩、高速力矩小等缺陷，提出一種步進(jìn)電動機(jī)同步矢量運(yùn)轉(zhuǎn)方式，成功研制了步進(jìn)電動機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)。文中對系統(tǒng)的設(shè)計理論、組成等作了介紹，并有應(yīng)用實(shí)例。
【敘詞】步進(jìn)電動機(jī)，同步，矢量控制，伺服系統(tǒng)，研制
引 言
各種電機(jī)(包括直線電機(jī))，從磁場觀點(diǎn)去看，其運(yùn)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(jī)：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(jī)：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(yùn)行，兩磁場間夾角近似為90o。
同步電機(jī)：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(jìn)電動機(jī)，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(jī)。在定子磁場激勵后，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場同步運(yùn)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(dāng)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(jìn)電動機(jī)的定子磁場激勵方法，除了因電機(jī)繞組相數(shù)不同而異外，即使是同一電機(jī)，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(jìn)電動機(jī)按“步進(jìn)”方式運(yùn)行的常規(guī)線路，在步進(jìn)電動機(jī)定子中所激勵的磁場都是“步進(jìn)”的脈動旋轉(zhuǎn)磁場。它們在不同程度上使用步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)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(diǎn)，以致不能達(dá)到和滿足對步進(jìn)電動機(jī)執(zhí)行伺服所提出的高精度和高速度的要求。
對步進(jìn)電動機(jī)的這些缺點(diǎn)，提出了新的驅(qū)動概念一步進(jìn)電動機(jī)同步矢量運(yùn)轉(zhuǎn)方式，并研制成功了sv系列步進(jìn)電動機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)。
1系統(tǒng)計算機(jī)理論依據(jù)
基于步進(jìn)電動機(jī)在磁場作用原理上的上述特點(diǎn)，設(shè)想在步進(jìn)電動機(jī)定子中產(chǎn)生一個具有恒模場強(qiáng)的均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場，使步進(jìn)電動機(jī)在該場的作用下同步平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)。現(xiàn)以三相步進(jìn)電動機(jī)為例，簡述其原理。
在步進(jìn)電動機(jī)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(diǎn)為單位圓上的任意一點(diǎn)，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(dāng)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(dāng)三相步進(jìn)電動機(jī)工作于單三拍、雙三拍、三一六拍等任意一種步進(jìn)運(yùn)行方式時，其相電流值僅僅是電流波形上的特殊點(diǎn)，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(jìn)方式運(yùn)行時，步進(jìn)電機(jī)相電流的額定值。同時還可看出，相電流的每個周期，相當(dāng)于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)方式運(yùn)行時，三一六制的六步，或單三拍的三步。換言之，如bfll0型步進(jìn)電動機(jī)。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(jìn)電機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)
sv系列步進(jìn)電機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)是實(shí)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(hù)電路等部分組成 |
