各種電機(jī)(包括直線電機(jī))，從磁場觀點(diǎn)去看，其運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(lì)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(dòng)機(jī)，無論是反應(yīng)式或混合式，都不外乎是一個(gè)轉(zhuǎn)子無外加勵(lì)磁電流的同步電機(jī)。在定子磁場激勵(lì)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(duì)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(shí)’則發(fā)生“失步”現(xiàn)象。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子磁場激勵(lì)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(dòng)電路。但歸結(jié)起來，這些旨在使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按“步進(jìn)”方式運(yùn)行的常規(guī)線路，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子中所激勵(lì)的磁場都是“步進(jìn)”的脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁場。它們?cè)诓煌潭壬鲜褂貌竭M(jìn)電動(dòng)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(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行伺服所提出的高精度和高速度的要求。
對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的這些缺點(diǎn)，提出了新的驅(qū)動(dòng)概念一步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)。
1系統(tǒng)計(jì)算機(jī)理論依據(jù)
基于步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)定子中產(chǎn)生一個(gè)具有恒模場強(qiáng)的均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在該場的作用下同步平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)以三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，簡述其原理。
在步進(jìn)電動(dòng)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(gè)數(shù)學(xué)模型，使三相繞組中流過的勵(lì)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(dòng)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(shí)，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?cè)谝粋€(gè)周期內(nèi)分別位于0o，60o，120o，180o，240o圓周角上，其幅值等于一個(gè)單位，即步進(jìn)方式運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電機(jī)相電流的額定值。同時(shí)還可看出，相電流的每個(gè)周期，相當(dāng)于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)方式運(yùn)行時(shí)，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(dòng)機(jī)。上述雙峰曲線每80個(gè)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(dòng)器、電源及保護(hù)電路等部分組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。
2.l函數(shù)發(fā)生器
為了實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字化控制，需將所得出的相電流函數(shù)式進(jìn)行離散。如對(duì)上式中進(jìn)行離散得出
式中n為離散一個(gè)函數(shù)周期所劃分的合成矢量點(diǎn)數(shù)，它由實(shí)際所需要的分辨率確息；n為隨機(jī)輸入的脈沖數(shù)，n與，n均為正整數(shù)。實(shí)現(xiàn)函數(shù)離散表達(dá)式的函數(shù)發(fā)生器由一個(gè)n進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。rom及d／a轉(zhuǎn)換器等組成，原理如圖4所示。
離散函數(shù)值固化于rom中，輸入脈沖改變計(jì)數(shù)器的狀態(tài)，對(duì)rom選址，把從rom中所取出的相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過d／a轉(zhuǎn)換器使函數(shù)值重現(xiàn)于輸出端，為下級(jí)功率驅(qū)動(dòng)器提供相電流函數(shù)雙峰曲線信號(hào)。
2．2功率驅(qū)動(dòng)器
功率輸出級(jí)采用先進(jìn)的pwm技術(shù)，輸出的雙峰曲線電流，直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)繞組。
2．3電源及保護(hù)電路
對(duì)小型步進(jìn)電機(jī)和對(duì)轉(zhuǎn)速范圍要求不高的功率步進(jìn)電機(jī)，一般采用固定電壓直接供給驅(qū)動(dòng)級(jí)；對(duì)大、中型功率步進(jìn)電機(jī)和在要求調(diào)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(shù))以提高系統(tǒng)的矩一頻特性，并降低輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)的功耗，減少發(fā)熱現(xiàn)象。
保護(hù)電路采用高速電子自動(dòng)保護(hù)技術(shù)，在發(fā)生過壓，短路或過流時(shí)，不致對(duì)系統(tǒng)造成致命性損壞。
現(xiàn)以bfl10型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，說明sv系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)中ⅳ的選擇、進(jìn)給脈沖、控制精度及分辨率之間的關(guān)系。為了兼顧與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直連的大多數(shù)常用傳動(dòng)絲杠(如螺距為2、3、4、6、8、12mm等)，sv系列伺服系統(tǒng)一般取n=90,因此，步進(jìn)電機(jī)定子所具有的等強(qiáng)度合成磁場矢量點(diǎn)數(shù)即等于90x 80=7200個(gè)，若與步進(jìn)電機(jī)相連接的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為每轉(zhuǎn)位移6mm，則在開環(huán)控制時(shí)，每12個(gè)脈沖位移10μ／m。進(jìn)給脈沖與控制位移之間以一定數(shù)量的脈沖列為當(dāng)量單位，并非步進(jìn)方式的“一對(duì)一”關(guān)系，這對(duì)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)尤為重要。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組在函數(shù)波形為雙峰曲線的相電流激勵(lì)下，前沿平滑上升，克服了繞組電感在常規(guī)脈沖驅(qū)動(dòng)線路作用時(shí)，使相電流不能突變而產(chǎn)生的過渡過程，有效地抑制了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振蕩和升速過程中的共振等現(xiàn)象。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相電流呈近似矩形，因此，大大提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高速矩頻特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，當(dāng)輸入脈沖頻率為120hz時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為lr／min；實(shí)測空載最高轉(zhuǎn)速超過3000r／min此時(shí)，輸入脈沖頻率按某種設(shè)定規(guī)律變化時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子亦相應(yīng)作升速、降速、恒速運(yùn)行。改變可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向，即可改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。也就是說，當(dāng)直流伺服系統(tǒng)是以o～±10v輸入電壓控制直流伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)從0到最高轉(zhuǎn)速變化時(shí)，sv系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)則是以輸入脈沖頻率從0開始變化，來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，外特性硬度等均可與同功率直流伺服系統(tǒng)相毗美。系統(tǒng)采用ttl—數(shù)字電路電平，可與計(jì)算機(jī)直接接口。
提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子恒模合成磁場矢量等分點(diǎn)的個(gè)數(shù)，可提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率和控制精度。如在鄭州某廠的應(yīng)用實(shí)例，bfll0型三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，取n為125，(曾選用n=250)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子一周合成矢量點(diǎn)數(shù)即為125×80=10000個(gè)，在機(jī)床上與5mm滾珠絲杠直連，組脈沖當(dāng)量為每1／μm兩個(gè)脈沖，經(jīng)反復(fù)實(shí)用測量，開環(huán)控制精度±2μm，重復(fù)定位精度±1μm，加工表面粗糙度為rao．04μm，達(dá)到了加工工藝的高精度要求，當(dāng)然，控制精度的進(jìn)一步提高，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)，其原理框圖如圖5所示。
如果將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組按三相交流電機(jī)改接，即成為一個(gè)集中繞組的三相交流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這時(shí)定子中產(chǎn)生的均勻圓周旋轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)額定相電流的一半。
3結(jié)語
理論上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子可以用建立恒模合成磁場矢量的方法進(jìn)行“無限”等分，以任意提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，但由于磁性材料的非線性和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)以及工藝技術(shù)等各方面的問題，實(shí)際上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子在相電流激勵(lì)下產(chǎn)生的合成磁場并非絕對(duì)均勻。
在一個(gè)函數(shù)周期內(nèi)，任意兩個(gè)相鄰脈沖問形成的定子磁場矢量角差，在相電流函數(shù)變化率較大與較小時(shí)相比較，與理論上的均勻性存在有偏差，因而影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子微量轉(zhuǎn)角的均勻性(但每個(gè)函數(shù)的同期偏差基本保持一致)。這些，一方面可以從修正函數(shù)入手，另一方面，希望步進(jìn)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家能在均勻性方面進(jìn)行改進(jìn)。
在函數(shù)電流驅(qū)動(dòng)下的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已失去了其原來的“步進(jìn)”意義，電機(jī)本身在該系統(tǒng)中僅作為伺服電機(jī)來使用。制造廠家應(yīng)盡量提高同一體積電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁飽和裕量，以便開發(fā)出一種最完善的自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。