步進(jìn)電機(jī)的失調(diào)角及精度

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯步進(jìn)電機(jī)的失調(diào)角及精度 1 引 言 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服掌握器件，它的運(yùn)行精度是人們非常關(guān)懷的一個(gè)問(wèn)題。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，沒(méi)有位置檢測(cè)元件及反饋掌握，因此運(yùn)行的精度主要取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，往往對(duì)步進(jìn)電動(dòng)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(duì)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩非常小的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是正確的；而對(duì)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大的系統(tǒng)，步距角誤差很可能不是非常重要的，失調(diào)角的影響可能更大一些，可是經(jīng)常被忽視了。為此有必要對(duì)這個(gè)問(wèn)題作一些基礎(chǔ)的說(shuō)明，并爭(zhēng)論一些與失調(diào)角有關(guān)的精度問(wèn)題，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)汁者，有肯定

2、的參考價(jià)值。2 失調(diào)角1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在某一通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子不帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)有肯定的穩(wěn)定平衡位置，如圖la中的0點(diǎn)，可用圖lb說(shuō)明這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子受到作用轉(zhuǎn)矩TL時(shí)，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(guò)最大靜轉(zhuǎn)矩TK時(shí)，將在一新的位置達(dá)到平衡，如圖la中的A。A點(diǎn)偏離0點(diǎn)的角度便是該運(yùn)行狀況下的失調(diào)角?？梢?jiàn)，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簡(jiǎn)單的事情，但是對(duì)它作一些估算和定性的分析是不難的。經(jīng)常假定矩角特性是正弦波曲線。即3 轉(zhuǎn)角失動(dòng)量在掌握系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)掌握對(duì)象運(yùn)動(dòng)，

3、例如數(shù)控機(jī)床中的刀具或工件。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和掌握對(duì)象都是電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，在工作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)或靜止時(shí)，都會(huì)表現(xiàn)出肯定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此也就引起相應(yīng)的失調(diào)角。依據(jù)不憐憫況，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??；還可能是一個(gè)不完全確定的值。以數(shù)控車(chē)床為例，對(duì)掌握刀具進(jìn)給的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在切削量不同時(shí)，所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩便不同，重切時(shí)有較大的負(fù)載，如在大型平面繪圖儀中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)繪圖頭運(yùn)動(dòng)系氣浮支撐，運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦阻力很小，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)可忽視不計(jì)，相應(yīng)地它的失調(diào)角也就接近于零；對(duì)于掌握數(shù)控線切割機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的這類(lèi)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)，主要承受傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩，它對(duì)電動(dòng)機(jī)有肯定的不確定性，但在正、負(fù)

4、最大值之間。負(fù)載轉(zhuǎn)矩引起的失調(diào)角，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)有可能失去肯定的運(yùn)動(dòng)量(角位移)。例如，設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一工作臺(tái)負(fù)載，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性如圖2a所示。設(shè)在預(yù)備狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子恰好在0點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的失調(diào)角為零。給電動(dòng)機(jī)加一系列掌握脈沖信號(hào)，定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)了角，或者對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)了角，這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度很可能是，比差了一個(gè)失調(diào)角(為負(fù)值)。 可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子好像轉(zhuǎn)到最終，少走了角，事實(shí)上這部分少轉(zhuǎn)過(guò)的角度，在運(yùn)動(dòng)的一開(kāi)頭就失去了。在運(yùn)動(dòng)剛開(kāi)頭，不大，即定子磁極中心線與轉(zhuǎn)子磁極中心線拉開(kāi)的距離小于時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的值比T小，轉(zhuǎn)子便不會(huì)動(dòng)，直到的值超過(guò)為止。 同樣，當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)過(guò)角后，又反向轉(zhuǎn)回角，即定子磁極

5、中心線退回到原來(lái)位置時(shí)，由于反向運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩也反向，轉(zhuǎn)子仍產(chǎn)生滯后于運(yùn)動(dòng)方向的失調(diào)角，如圖2c所示。不難看出，電動(dòng)機(jī)反走時(shí)轉(zhuǎn)角失動(dòng)量為2。與前相像，失動(dòng)量是在反轉(zhuǎn)開(kāi)頭階段產(chǎn)生的。由于原來(lái)超前于轉(zhuǎn)子角的定子磁極中心線，反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)剛一開(kāi)頭，變成滯后于轉(zhuǎn)子角。只有當(dāng)定子磁極轉(zhuǎn)過(guò)2時(shí)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩才足以與T平衡，能帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。所以，只要反轉(zhuǎn)運(yùn)行，不論行程是多少，都可能產(chǎn)生這樣的轉(zhuǎn)角失動(dòng)量(L) 4 失動(dòng)量與通電方式的關(guān)系 轉(zhuǎn)角失動(dòng)量由負(fù)載對(duì)應(yīng)的失調(diào)角引起，失調(diào)角的極限值約為(電弧度)或90°(電角度)，與通電方式?jīng)]有直接的關(guān)系。假如爭(zhēng)論執(zhí)行機(jī)構(gòu)的失動(dòng)量，就不一樣了。如執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)

6、量為s，而電動(dòng)機(jī)_個(gè)規(guī)律通電循環(huán)有m1種通電狀態(tài)。由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)m1步轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角，失調(diào)角的極限值(電弧度)對(duì)應(yīng)于步，它對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線位移為 正反運(yùn)動(dòng)一次，由負(fù)載失調(diào)角造成的失動(dòng)量，其最大極限值不超過(guò)上述值的2倍，即 例如，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，半步方式即三相六拍運(yùn)行時(shí) 從精度的角度來(lái)看，已是一個(gè)可觀的數(shù)量。當(dāng)然，實(shí)際系統(tǒng)在定位時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，因此失動(dòng)量也遠(yuǎn)小于式(11)所示的極限值(SL)max。但是可看出，越是規(guī)律通電狀態(tài)數(shù)(m1)多的電動(dòng)機(jī)，越應(yīng)引起留意。5 微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)用的局限性 以上分析表明，由失調(diào)角引起的失動(dòng)量，隨著電

7、動(dòng)機(jī)運(yùn)行拍數(shù)的增加而增大。通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)主要取決于相數(shù)，不是很大的數(shù)值。但是在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采納微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)時(shí)，運(yùn)行拍數(shù)就幾乎不受限制了，m1的值可達(dá)到數(shù)以千計(jì)，失調(diào)角和失動(dòng)量對(duì)應(yīng)的脈沖當(dāng)量數(shù)可能相當(dāng)可觀。 現(xiàn)舉例對(duì)比說(shuō)明。設(shè)有一大型精密工作臺(tái)，用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)滾珠絲杠傳動(dòng)，滾珠絲杠的螺距為4mm。要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠直接連接，中間不加減速齒輪，脈沖當(dāng)量為s=0.001mm。即要求每轉(zhuǎn)4000步的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可有二種不同的方案。采納五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)90BYG550A，它的最大靜轉(zhuǎn)矩TK=2N·m，步距角b=O.36。(4-5通電)。讓它四細(xì)分運(yùn)行，步距角細(xì)分后

8、為b=O.O9°，即五相八十拍運(yùn)行，m1=802；采納五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)90BYG5200A(杭州哈杭電伺服技術(shù)研 方案(1)的失動(dòng)量大得多，再加上其他因素的影響，失動(dòng)量可能超差，不滿(mǎn)意使用的要求。 以上二種方案中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它們的尺寸、轉(zhuǎn)矩幾乎一樣，運(yùn)行時(shí)的辨別率也相同。但是后者轉(zhuǎn)子有較多的齒數(shù)(zr=200)，因而有較小的步距角，前者則轉(zhuǎn)子齒數(shù)較少(zr=50)，靠電路細(xì)分(微步技術(shù))獲得同樣小的步距角。這二種系統(tǒng)好像有相同的性能和功能，但事實(shí)上不一樣，后者具有更大的“剛度”，即加同樣負(fù)載時(shí)，機(jī)械失調(diào)角小(雖然電危度栩同)。6結(jié)論 微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，假如僅僅用來(lái)提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，那末可無(wú)限地細(xì)分，直到它的電流波形趨近于連續(xù)變化。假如用在閉環(huán)掌握系統(tǒng)中，依據(jù)位置檢測(cè)來(lái)定位也一樣