步進電動機同步矢量伺服系統(tǒng)
鄭松嶺 梁東杰 李海平 張衛(wèi)群（河南許昌汽車傳動軸總廠）
【摘要】針對步進電動機存在著低速振蕩、高速力矩小等缺陷，提出一種步進電動機同步矢量運轉(zhuǎn)方式，成功研制了步進電動機同步矢量伺服系統(tǒng)。文中對系統(tǒng)的設(shè)計理論、組成等作了介紹，并有應(yīng)用實例。
【敘詞】步進電動機，同步，矢量控制，伺服系統(tǒng)，研制
引 言
各種電機（包括直線電機），從磁場觀點去看，其運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：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：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行，兩磁場間夾角近似為90度。
同步電機：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0度。
步進電動機，無論是反應(yīng)式或混合式，不外乎是一個轉(zhuǎn)子無外加勵磁電流的同步電機。在定子磁場激勵后，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場同步運行，并在空間的位置保特相對靜止，即夾角為0度，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。
步進電動機的定子磁場激勵方法，除了因電機繞組相數(shù)不同而異外，即使是同一電機，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，這些旨在使步進電動機按“步進”方式運行的常規(guī)線路，在步進電動機定子中所激勵的磁場都是“步進”的脈動旋轉(zhuǎn)磁場。它們在不同程度上使用步進電動機的運轉(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，以致不能達到和滿足對步進電動機執(zhí)行伺服所提出的高精度和高速度的要求。
對步進電動機的這些缺點，提出了新的驅(qū)動概念一步進電動機同步矢量運轉(zhuǎn)方式，并研制成功了sv系列步進電動機同步矢量伺服系統(tǒng)。
基于步進電動機在磁場作用原理上的上述特點，設(shè)想在步進電動機定子中產(chǎn)生一個具有恒模場強的均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場，使步進電動機在該場的作用下同步平滑地運轉(zhuǎn)�，F(xiàn)以三相步進電動機為例，簡述其原理。
在步進電動機定子中要形成的均勻圓周旋轉(zhuǎn)磁場，如圖1所示。
設(shè)p點為單位圓上的任意一點，矢量沿圓周均勻旋轉(zhuǎn)，模10p1等于常數(shù)；為此要建立一個數(shù)學(xué)模型，使三相繞組申流過的勵磁電流，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
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120度的雙峰曲線函數(shù)，其波形如圖2所示。
從圖2可看出，當(dāng)三相步進電動機工作手單三拍、雙三拍、三一六拍等任意一種步進運行方式時，其相電流值僅僅是電流波形上的特殊點，如圖2中的pl，p2 p3，p4…。它們在一個周期內(nèi)分別位于0度，60度，120度．180度．240度圓周角上，其幅值等于一個單位即步進方式運行時，步進電機相電流的額定值。同時還可看出，相電流的每個周期，相當(dāng)于步進電機步進方式運行時，三一六制的六步，或單三拍的蘭步。換言之，如bf110型步進電動機。上述雙峰曲線每80個周期，可使它旋轉(zhuǎn)一圈。
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