步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)不同參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響(3)
王宗培 孫寶奎（哈爾濱工業(yè)大學(xué)150001）
程 智 陳永校（浙江大學(xué)）
摘 要 本文是全文的第三部分，介紹負(fù)載參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響。
敘 詞 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性負(fù)載參數(shù)
1粘滯（阻尼）系數(shù)的影響
與電動(dòng)機(jī)的角速度成正比變化的負(fù)載轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為粘滯摩擦負(fù)載，沒(méi)有外加的粘滯摩擦負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)本身不是一個(gè)理想的機(jī)械系統(tǒng)，存在著不大的阻力轉(zhuǎn)矩，其中包含小的庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)矩及小的粘滯摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程式為：
要說(shuō)明的是混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身的摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不是真正的純機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實(shí)際上主要是鐵損耗引起的。由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)在齒層和定子極身內(nèi)引超的鐵心損耗，需要由電磁功率提供，表現(xiàn)出的鐵心損耗轉(zhuǎn)矩，要由電磁轉(zhuǎn)矩負(fù)擔(dān)。其中磁滯損耗對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，具有類(lèi)似庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)矩的特性；渦流損耗的轉(zhuǎn)矩則具有粘滯摩擦轉(zhuǎn)矩的特性。
在研究振動(dòng)特性時(shí)，阻尼系數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)，阻尼系數(shù)為零或負(fù)的系統(tǒng)肯定是不穩(wěn)定的，圖1是電動(dòng)機(jī)空載、本身的阻尼系數(shù)不同的情況下振動(dòng)特性的仿真曲線。可以看出，阻尼系數(shù)增大時(shí)，低頻和中頻振蕩的振幅有所下降，但變化不是十分顯著，對(duì)高頻不穩(wěn)定區(qū)則產(chǎn)生明顯的影響。阻尼系數(shù)減小時(shí)，高頻不穩(wěn)定區(qū)角速度振蕩的振幅增大，在一定條件下會(huì)失步不能運(yùn)行；阻尼系數(shù)增大，角速度振蕩的振幅減小并趨于穩(wěn)定。加機(jī)械阻尼器能改善高頻運(yùn)行的平穩(wěn)性及提高運(yùn)行頻域的原因就在于此。
應(yīng)當(dāng)指出，電磁轉(zhuǎn)矩中的異步轉(zhuǎn)矩分量，與角速度成一定的比例關(guān)系，即阻尼轉(zhuǎn)矩的特性，稱(chēng)為電磁阻尼轉(zhuǎn)矩。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起阻尼的作用，但是不包括在上述的p之中，它包括在式(1)右端項(xiàng)內(nèi)。電磁阻尼轉(zhuǎn)矩隨角速度增大而上升時(shí)為正，隨角速度上升而下降時(shí)為負(fù)，當(dāng)它為負(fù)值且****值達(dá)到或超過(guò)機(jī)械阻尼轉(zhuǎn)矩的值時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)便成為零阻尼或負(fù)阻尼，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。如果人為增大機(jī)械阻尼系數(shù)，則系統(tǒng)又可回復(fù)穩(wěn)定。仿真所得的結(jié)果恰好符合這樣的原理性分析。
2摩擦負(fù)載的影響
圖2示一系列不同大小的摩擦性負(fù)載時(shí)振動(dòng)特性的仿真曲線�？梢钥闯瞿Σ列载�(fù)載對(duì)低頻振蕩的抑制作用很明顯。低頻諧振時(shí)，電動(dòng)機(jī)的角速度一般在正負(fù)之間波動(dòng)，摩擦性負(fù)載在角速度改變方向時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向也改變，因而提供了很強(qiáng)的阻尼作用，所以只要略加負(fù)載，角速度的波動(dòng)都得到了有效的抑制。
對(duì)于中頻段的振蕩，摩擦負(fù)載也有較明顯的抑制作用。曲線表明，當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增大到tl=0.6nm時(shí)，中頻段的振蕩也得到了很好的抑制。此后再進(jìn)一步增大負(fù)載時(shí)，對(duì)中、低頻段的振動(dòng)特性影響不明顯，圖3表示fcp=800脈沖／s、tl=o和tl=0.6nm時(shí)電壓、電流和角速度等的仿真波形，可以清楚地看出加載后的電流波形、轉(zhuǎn)矩波形和角速度波形的變化。
對(duì)高頻不穩(wěn)定性的影響。負(fù)載較小時(shí)，高頻不穩(wěn)定區(qū)及角速度振蕩的振幅都沒(méi)有明顯的變化，負(fù)載進(jìn)一步增大時(shí)，高頻不穩(wěn)定性加劇，不穩(wěn)定區(qū)向低頻區(qū)移動(dòng)。
3慣性負(fù)載的影響
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化主要影響電機(jī)的自然頻率，自然頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的平方根的倒數(shù)成正比，而低頻共振是控制脈沖關(guān)于自然頻率的諧振，因此增大轉(zhuǎn)動(dòng)憤量將有助于抑制低頻振蕩。
慣性負(fù)載抑制振蕩，平滑運(yùn)動(dòng)的作用還可以作如下解釋。轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程重寫(xiě)如下：
當(dāng)用轉(zhuǎn)子電角速度來(lái)表示時(shí)，上式可寫(xiě)
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