步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性

*反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性一、靜態(tài)特性

靜態(tài)運(yùn)行是指通電狀態(tài)不變，電機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性。靜特性靜轉(zhuǎn)矩矩角特性靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)需要清楚的幾個(gè)名稱：(1)初始穩(wěn)定平衡位置：指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在空載情況下，控制繞組中通以直流電流時(shí)，轉(zhuǎn)子的最后穩(wěn)定位置;(2)失調(diào)角q：指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子偏離初始平衡位置的電角度。在反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子一個(gè)齒距所對(duì)應(yīng)的度數(shù)為2p電弧度或360o電角度；(3)矩角特性：在不改變通電狀態(tài)(即控制繞組電流不變)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系，即T=f(q)=0,T=0;>0,T<0;<0,T>0;=,T=0定子轉(zhuǎn)子當(dāng)只有一相繞組通電時(shí)，儲(chǔ)存在電機(jī)氣隙中的磁場能量為磁導(dǎo)變化曲線

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性(4)靜態(tài)穩(wěn)態(tài)區(qū)：在空載時(shí)，穩(wěn)定平衡位置對(duì)應(yīng)于q=0處，而q=180度則為不穩(wěn)定平衡位置。在靜態(tài)情況下，如受外力矩的作用使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置，但沒有超出相鄰的不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，則當(dāng)外力矩除去以后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下仍能回到原來的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，所以二個(gè)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)之間的區(qū)域構(gòu)成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。(5)最大靜轉(zhuǎn)矩：Tmax=f(I)最大靜轉(zhuǎn)矩特性六拍時(shí)的矩角特性族三拍時(shí)的矩角特性族(6)矩角特性族二、動(dòng)態(tài)特性1.單脈沖運(yùn)行當(dāng)加上一個(gè)控制脈沖信號(hào)，矩角特性將轉(zhuǎn)移到矩角特性族中的下一條矩角特性曲線，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到新的穩(wěn)定平衡位置o1。在改變通電狀態(tài)時(shí)，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子起始位置位于ab之間才能使它向o1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。因此稱區(qū)間ab為電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)C動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)：(-p+qse)<q<(p+qse)a點(diǎn)與o0點(diǎn)之間的夾角qr稱為穩(wěn)定裕度(或裕量角)。裕量角越大，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行越穩(wěn)定。由上式可見，C=1時(shí)，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)最少為3。電動(dòng)機(jī)的相數(shù)越多，步距角越小，相應(yīng)的穩(wěn)定裕度越大，運(yùn)行的穩(wěn)定性也越好。最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩(又稱起動(dòng)轉(zhuǎn)矩)：TL1<Tst因新的矩角特性曲線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子加速并向q增大的方向運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)o’1.TL2>Tst新矩角特性上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不能到達(dá)新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)o”1，而是向q減小的方向運(yùn)動(dòng)，因此不能作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。由此可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能帶的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩要比最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax小。只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩)Tst，才能保證電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。若矩角特性為幅值相等的正弦波時(shí)，可得：當(dāng)C=1時(shí)，m最小為3；m越大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大；C越大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。轉(zhuǎn)子振蕩過程：以上分析時(shí)認(rèn)為，切換控制繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子單調(diào)地趨向新的平衡位置，但實(shí)際上要經(jīng)過一個(gè)衰減的振蕩過程。為減小振蕩幅度和時(shí)間，可增加阻尼：機(jī)械阻尼：增加電機(jī)轉(zhuǎn)子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。缺點(diǎn)：增大了慣性，快速性能變壞，體積增大。電氣阻尼：多相激磁阻尼、延遲斷開阻尼。優(yōu)點(diǎn)：方法簡單，效果好。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零，且不計(jì)阻尼作用時(shí)，用外力使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置一個(gè)小角度，然后釋放，則轉(zhuǎn)子將在電磁轉(zhuǎn)矩作用下向穩(wěn)定位置運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)自由振蕩，其運(yùn)動(dòng)方程為：解為：2.連續(xù)脈沖運(yùn)行極低頻--連續(xù)步進(jìn)運(yùn)行脈沖頻率很低時(shí)的低頻共振

頻率介于極低頻與高頻之間，此時(shí)脈沖間隔較長，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行一般不會(huì)有問題。但是，如果等于或接近于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)低頻共振。A相通電，OA—d—OB—e—OB—d，此時(shí)第二個(gè)脈沖到來，通電繞組由B相換為C相，工作點(diǎn)由d移到f，由于轉(zhuǎn)矩為負(fù)，轉(zhuǎn)子返向轉(zhuǎn)動(dòng)向O’C移動(dòng)。低頻共振現(xiàn)象

脈沖頻率很高時(shí)的連續(xù)運(yùn)行當(dāng)控制脈沖的頻率很高時(shí)，脈沖間隔的時(shí)間很短，電機(jī)轉(zhuǎn)子尚未到達(dá)第一次振蕩的幅值，甚至還沒有到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置，下一個(gè)脈沖就到來。此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行已由步進(jìn)變成了連續(xù)平滑的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速也比較穩(wěn)定。當(dāng)頻率太高時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生失步，甚至還會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩。連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)

起動(dòng)頻率和起動(dòng)特性fst

是指一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地起動(dòng)的脈沖最高頻率，它的大小與電動(dòng)機(jī)本身參數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，以及電源條件等因素有關(guān)。它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。

fst=f(TL)

起動(dòng)矩頻特性

fst=f(J)

起動(dòng)慣頻特性連續(xù)運(yùn)行頻率與運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶一定負(fù)載正常起動(dòng)后，連續(xù)緩慢地升高脈沖頻率，直到不丟步運(yùn)行的最高頻率，稱為運(yùn)行頻率。起動(dòng)連續(xù)運(yùn)行矩頻特性起動(dòng)慣頻特性那么，為什么頻率升高后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)下降呢？因?yàn)椋刂评@組呈電感性，它具有延緩電流變化的作用。4.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源一、對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求；要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率的要求；能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩；工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；成本低、效率高，安裝維護(hù)方便。二、驅(qū)動(dòng)電源組成變頻信號(hào)源脈沖分配器功率放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載指令變頻信號(hào)源：是一個(gè)脈沖頻率由幾赫到幾十千赫可連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器，可以是計(jì)算機(jī)或振蕩器。脈沖分配器：一種邏輯電路，由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和門電路組成，它可能將輸入的電脈沖信號(hào)根據(jù)需要循環(huán)地分配到脈沖放大器進(jìn)行功率放大，并使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按選定的運(yùn)行方式工作。三相單三拍脈沖分配器JKQ(t+1)說明101置“1”010置“0”00Q(t)不變11(t)求補(bǔ)JK觸發(fā)器真值表三相單、雙六拍單轉(zhuǎn)向脈沖分配器功率驅(qū)動(dòng)電路單極性驅(qū)動(dòng)（反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）單一電壓型功率放大電路優(yōu)點(diǎn)：線路簡單，功率元件少，成本低。缺點(diǎn)：Rf1上要消耗能量，工作效率低。只適用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如果電容C選擇不當(dāng)，在低頻段會(huì)使振蕩有所增加，使低頻性能變差。高、低電壓切換型功率放大電路優(yōu)點(diǎn)：電源功耗比較小，效率比較高。矩頻特性好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率得到了很大的提高。主要缺點(diǎn)：低頻運(yùn)行時(shí)輸入能量過大，造成電機(jī)低頻振蕩加重；增大了電源的容量，對(duì)功率管性能參數(shù)的要求高。常用于大功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)

電流斬波驅(qū)動(dòng)放大電路調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式(a)低頻；(b)高頻細(xì)分驅(qū)動(dòng)放大電路細(xì)分電流波形電流的每個(gè)階梯，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，步距角減小了很多。先放大后合成先合成后放大雙極性驅(qū)動(dòng)（永磁式和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）正負(fù)電源供電單一電源供電由于雙極性驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜，過去僅用于大功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)。但近年來出現(xiàn)了集成