| 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子磁場相互作用之結果，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：定子磁場為旋轉磁場，轉子中導體切割定子旋轉磁場，產生感應電流，并在轉子中形成感應磁場，該磁場跟隨定子磁場同步運行，兩磁場間夾角近似為90o。 同步電機：定子磁場為旋轉磁場，轉子電樞被直流激勵為一固定磁場，定子磁場與轉子磁場同步旋轉兩磁場夾角為0o。 步進電動機，無論是反應式或混合式，都不外乎是一個轉子無外加勵磁電流的同步電機。在定子磁場激勵后，轉子磁場與定子磁場同步運行，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。當轉子與定子的“同步角差”大于步距角的一半時’則發生“失步”現象。 步進電動機的定子磁場激勵方法，除了因電機繞組相數不同而異外，即使是同一電機，也有不同方式，于是便產生了許多驅動電路。但歸結起來，這些旨在使步進電動機按“步進”方式運行的常規線路，在步進電動機定子中所激勵的磁場都是“步進”的脈動旋轉磁場。它們在不同程度上使用步進電動機的運轉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，提出了新的驅動概念一步進電動機同步矢量運轉方式，并研制成功了SV系列步進電動機同步矢量伺服系統。1系統計算機理論依據 基于步進電動機在磁場作用原理上的上述特點，設想在步進電動機定子中產生一個具有恒模場強的均勻連續旋轉磁場，使步進電動機在該場的作用下同步平滑地運轉。現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磁場，如圖1所示。設P點為單位圓上的任意一點，矢量筇沿圓周均勻旋轉，模lOPl等于常數；為此，要建立一個數學模型，使三相繞組中流過的勵磁電流，在任意轉角都產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然，這些也可用電磁場的理論求得，結果相同。它們是一組相位差為120o的雙峰曲線函數，其波形如圖2所示。從圖2可看出，當三相步進電動機工作于單三拍、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，相當于步進電機步進方式運行時，三一六制的六步，或單三拍的三步。換言之，如BFll0型步進電動機。上述雙峰曲線每80個周期，可使它旋轉一圈。2 SV系列步進電機同步矢量伺服系統SV系列步進電機同步矢量伺服系統是實現上述原理的典型線路之一，該系統由函數發生器、功率驅動器、電源及保護電路等部分組成，系統框圖如圖3所示。2.l函數發生器為了實現直接數字化控制，需將所得出的相電流函數式進行離散。如對上式中進行離散得出式中N為離散一個函數周期所劃分的合成矢量點數，它由實際所需要的分辨率確息；n為隨機輸入的脈沖數，N與，n均為正整數。實現函數離散表達式的函數發生器由一個N進制可逆計數器。ROM及D／A轉換器等組成，原理如圖4所示。離散函數值固化于ROM中，輸入脈沖改變計數器的狀態，對ROM選址，把從ROM中所取出的相應數據，通過D／A轉換器使函數值重現于輸出端，為下級功率驅動器提供相電流函數雙峰曲線信號。2．2功率驅動器功率輸出級采用先進的PWM技術，輸出的雙峰曲線電流，直接驅動步進電機繞組。2．3電源及保護電路對小型步進電機和對轉速范圍要求不高的功率步進電機，一般采用固定電壓直接供給驅動級；對大、中型功率步進電機和在要求調速范圍較寬的使用情況下，則采用變壓電源(采用f-v變頻變壓技術)以提高系統的矩一頻特性，并降低輸出驅動級的功耗，減少發熱現象。保護電路采用高速電子自動保護技術，在發生過壓，短路或過流時，不致對系統造成致命性損壞。現以BFl10型步進電動機為例，說明SV系列步進電動機同步矢量伺服系統中Ⅳ的選擇、進給脈沖、控制精度及分辨率之間的關系。為了兼顧與步進電動機直連的大多數常用傳動絲杠(如螺距為2、3、4、6、8、12mm等)，SV系列伺服系統一般取N=90,因此，步進電機定子所具有的等強度合成磁場矢量點數即等于90x 80=7200個，若與步進電機相連接的傳動機構為每轉位移6mm，則在開環控制時，每12個脈沖位移10μ／m。進給脈沖與控制位移之間以一定數量的脈沖列為當量單位，并非步進方式的“一對一”關系，這對構成閉環控制系統尤為重要。步進電動機繞組在函數波形為雙峰曲線的相電流激勵下，前沿平滑上升，克服了繞組電感在常規脈沖驅動線路作用時，使相電流不能突變而產生的過渡過程，有效地抑制了步進電動機運轉時的振蕩和升速過程中的共振等現象。在高速運轉時，相電流呈近似矩形，因此，大大提高了步進電動機的高速矩頻特性。步進電動機的轉速與輸入脈沖頻率成正比，當輸入脈沖頻率為120Hz時，步進電動機轉速為lr／min；實測空載最高轉速超過3000r／min此時，輸入脈沖頻率按某種設定規律變化時，步進電機轉子亦相應作升速、降速、恒速運行。改變可逆計數器的計數方向，即可改變步進電機的旋轉方向。也就是說，當直流伺服系統是以O～±10V輸入電壓控制直流伺服電機反轉從0到最高轉速變化時，SV系列步進電動機同步矢量伺服系統則是以輸入脈沖頻率從0開始變化，來控制步進電動機轉速的。系統的階躍響應，外特性硬度等均可與同功率直流伺服系統相毗美。系統采用TTL—數字電路電平，可與計算機直接接口。提高步進電動機定子恒模合成磁場矢量等分點的個數，可提高步進電動機的分辨率和控制精度。如在鄭州某廠的應用實例，BFll0型三相步進電動機，取N為125，(曾選用N=250)，步進電動機定子一周合成矢量點數即為125×80=10000個，在機床上與5mm滾珠絲杠直連，組脈沖當量為每1／μm兩個脈沖，經反復實用測量，開環控制精度±2μm，重復定位精度±1μm，加工表面粗糙度為RaO．04μm，達到了加工工藝的高精度要求，當然，控制精度的進一步提高，必須采用閉環系統，其原理框圖如圖5所示。如果將步進電動機內部繞組按三相交流電機改接，即成為一個集中繞組的三相交流步進電動機，這時定子中產生的均勻圓周旋轉磁場的相電流，即大家熟知的三相正弦交流，其最大幅值可減小為步進電機額定相電流的一半。3結語理論上，步進電動機定子可以用建立恒模合成磁場矢量的方法進行“無限”等分，以任意提高步進電動機的分辨率，但由于磁性材料的非線性和步進電動機本身的結構以及工藝技術等各方面的問題，實際上，步進電動機的定子在相電流激勵下產生的合成磁場并非絕對均勻。在一個函數周期內，任意兩個相鄰脈沖問形成的定子磁場矢量角差，在相電流函數變化率較大與較小時相比較，與理論上的均勻性存在有偏差，因而影響步進電動機轉子微量轉角的均勻性(但每個函數的同期偏差基本保持一致)。這些，一方面可以從修正函數入手，另一方面，希望步進電動機生產廠家能在均勻性方面進行改進。在函數電流驅動下的步進電動機已失去了其原來的“步進”意義，電機本身在該系統中僅作為伺服電機來使用。制造廠家應盡量提高同一體積電機的轉矩和磁飽和裕量，以便開發出一種最完善的自適應驅動系統。 |
