步進(jìn)電動機(jī)的失調(diào)角及精度
王宗培 陳敏祥 （哈爾濱工業(yè)大學(xué)）
【摘 要】步進(jìn)電動機(jī)象同步電動機(jī)一樣，在負(fù)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(fù)載失調(diào)角對應(yīng)于一定的失動量。用脈沖當(dāng)量來衡量失動量的值時，它與電動機(jī)的通電方式，主要是邏輯通電狀態(tài)數(shù)，即通常所說的運(yùn)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(yīng)用的局限性。
【敘 詞】步進(jìn)電動機(jī)，開環(huán)控制，精度，失調(diào)角，失動量
l 引 言
步進(jìn)電動機(jī)作為伺服控制器件，它的運(yùn)行精度是人們十分關(guān)心的一個問題。步進(jìn)電動機(jī)常常運(yùn)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(yùn)行的精度主要取決于步進(jìn)電動機(jī)本身及機(jī)械傳動系統(tǒng)。步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，往往對步進(jìn)電動機(jī)的步距角精度提出要求，以期得到較好的運(yùn)行精度。事實(shí)上，這對于負(fù)載轉(zhuǎn)矩十分小的系統(tǒng)來說是正確的而對于負(fù)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(jìn)電動機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，有一定昀參考價值。
2失調(diào)角
步進(jìn)電動機(jī)在某一通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子不帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩時有一定的穩(wěn)定平衡位置，如圖la中的0點(diǎn)，可用圖lb說明這時轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子受到作用轉(zhuǎn)矩n時，便偏離穩(wěn)定平衡點(diǎn)，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，將新的位置達(dá)到平衡，4如圖la中的點(diǎn)偏離0點(diǎn)的角度便是該運(yùn)行情況下的失調(diào)角�？梢�，失調(diào)角的值取決于通電狀態(tài)、負(fù)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(jìn)電動機(jī)作為執(zhí)行元件，通過傳動機(jī)構(gòu)帶動控制對象運(yùn)動，例如數(shù)控機(jī)床中的刀具或工件。傳動機(jī)構(gòu)和控制對象都是電動機(jī)的負(fù)載，在工作過程中運(yùn)動或靜止時，都會表現(xiàn)出一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此也就引起相應(yīng)的失調(diào)角。根據(jù)不同情況，負(fù)載轉(zhuǎn)矩可能是恒定的，也可能是變化的；可能相當(dāng)大，也可能很�。贿�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(jìn)給的步進(jìn)電動機(jī)，在切削量不同時，所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩便不同，重切時有較大的負(fù)載，如在大型平面繪圖儀中，步進(jìn)電動機(jī)帶動繪圖頭運(yùn)動系氣浮支撐，運(yùn)動時摩擦阻力很�。畬﹄妱訖C(jī)來說可忽略不計(jì)，相應(yīng)地它的失調(diào)角也就接近于零；對于控制數(shù)控線切割機(jī)床工作臺運(yùn)動的這類負(fù)載的電動機(jī)，主要承受傳動機(jī)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩，它對電動機(jī)有一定的不確定性，但在正、負(fù)****值之間。
負(fù)載轉(zhuǎn)矩引起的失調(diào)角，使步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)運(yùn)行時有可能失去一定的運(yùn)動量(角位移)。例如，設(shè)步進(jìn)電動機(jī)帶動一工作臺負(fù)載，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性如圖2a所示。設(shè)在準(zhǔn)備狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子恰好在0點(diǎn)，對應(yīng)的失調(diào)角為零。給電動機(jī)加一系列控制脈沖信號，定子磁場轉(zhuǎn)過了θ角，或者對應(yīng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)過了口角，這時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度很可能是9，比口差了一個失調(diào)角δ(δ為負(fù)值)。
可見，轉(zhuǎn)子似乎轉(zhuǎn)到最后，少走了δ角，事實(shí)上這部分少轉(zhuǎn)過的角度，在運(yùn)動的一開始就失去了。在運(yùn)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tf小，轉(zhuǎn)子便不會動，直到θ的值超過δ為止。
同樣，當(dāng)電動機(jī)正向轉(zhuǎn)過口角后，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(yùn)動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩也反向，轉(zhuǎn)子仍產(chǎn)生滯后于運(yùn)動方向的失調(diào)角，如圖2c所示。不難看出，電動機(jī)反走時轉(zhuǎn)角失動量為2δ。與前楣似，失動量是在反轉(zhuǎn)開始階段產(chǎn)生的。因?yàn)楸緛沓坝谵D(zhuǎn)子δ角的定子磁極中心線，反轉(zhuǎn)運(yùn)動剛一開始，變成滯后于轉(zhuǎn)子δ角。只有當(dāng)定子磁極轉(zhuǎn)過2δ時，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩才足以與tf平衡，能帶動轉(zhuǎn)子運(yùn)動。所以 |
