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步进电机的失调角及精度步进电动机作为伺服控制器件,它的运行精度是人们十分关心的一个问题步进电动机常常运行在开环系统中,没有位置检测元件及反应控制,因此运行的精度主要取决于步进电动机本身及机械传动系统步进电动机应用系统的设计者,往往对步进电动机的步距角精度提出要求,以期得到较好的运行精度事实上,这对于负载转矩十分小的系统来说是正确的;而对于负载转矩较大的系统,步距角误差很可能不是十分重要的,失调角的影响可能更大一些,可是常常被忽略了为此有必要对这个问题作一些根底的说明,并讨论一些与失调角有关的精度问题,对步进电动机应用系统的设汁者,有一定的参考价值2失调角
[1]步进电动机在某一通电状态下,转子不带负载转矩时有一定的稳定平衡位置,如图la中的0点,可用图1b说明这时转子的位置转子受到作用转矩TL时,便偏离稳定平衡点,转子磁极中心线滞后于定子磁极中心,可用图1c表示TL不超过最大静转矩TK时,将在一新的位置到达平衡,如图la中的AA点偏离0点的角度6便是该运行情况下的失调角可见,失调角的值取决于通电状态、负载转矩的大小及矩角特性的波形要知道它的准确值不是一件容易的事情,但是对它作一些估算和定性的分析是不难的常常假定矩角特性是正弦波曲线即3转角失动量在控制系统中,步进电动机作为执行元件,通过传动机构带动控制对象运动,例如数控机床中的刀具或工件传动机构和控制对象都是电动机的负载,在工作过程中运动或静止时,都会表现出一定的负载转矩,因此也就引起相应的失调角根据不同情况,负载转矩可能是恒定的,也可能是变化的;可能相当大,也可能很小;还可能是一个不完全确定的值以数控车床为例,对控制刀具进给的步进电动机,在切削量不同时,所承受的负载转矩便不同,重切时有较大的负载,如在大型平面绘图仪中,步进电动机带动绘图头运动系气浮支撑,运动时摩擦阻力很小,对电动机来说可忽略不计,相应地它的失调角也就接近于零;对于控制数控线切割机床工作台运动的这类负载的电动机,主要承受传动机构的摩擦转矩,它对电动机有一定的不确定性,但在正、负最大值之间负载转矩引起的失调角,使步进电动机开环运行时有可能失去一定的运动量(角位移)例如,设步进电动机带动一工作台负载,负载的转矩特性如图2a所示设在准备状态时,转子恰好在0点,对应的失调角为零给电动机加一系列控制脉冲信号,定子磁场转过了角,或者对应的稳定平衡点转过了角,这时转子转过的角度很可能是9比e差了一个失调角8(6为负值)可见,转子似乎转到最后,少走了6角,事实上这部分少转过的角度,在运动的一开始就失去了在运动刚开始,e不大,即定子磁极中心线与转子磁极中心线拉开的距离小于5时,电磁转矩的值比T/小,转子便不会动,直到的值超过8为止同样,当电动机正向转过角后,又反向转回角,即定子磁极中心线退回到原来位置时,由于反向运动时负载转矩也反向,转子仍产生滞后于运动方向的失调角,如图2c所示不难看出,电动机反走时转角失动量为26与前相似,失动量是在反转开始阶段产生的因为本来超前于转子6角的定子磁极中心线,反转运动刚一开始,变成滞后于转子5角只有当定子磁极转过25时,产生的电磁转矩才足以与T/平衡,能带动转子运动所以,只要反转运行,不管行程是多少,都可能产生这样的转角失动量(6L)4失动量与通电方式的关系转角失动量由负载对应的失调角引起,失调角的极限值约为(电弧度)或90(电角度),与通电方式没有直接的关系如果讨论执行机构的失动量,就不一样了如执行机构运动的脉冲当量为△$,而电动机一个逻辑通电循环有ml种通电状态由于电动机经ml步转过一个齿距角,失调角的极限值(电弧度)对应于步,它对应的执行机构的线位移为正反运动一次,由负载失调角造成的失动量,其最大极限值不超过上述值的2倍,即例如,三相反应式步进电动机,半步方式即三相六拍运行时从精度的角度来看,已是一个可观的数量当然,实际系统在定位时,传动系统表现出的负载转矩远小于选用步进电动机的最大静转矩,因此失动量也远小于式11所示的极限值SLmax但是可看出,越是逻辑通电状态数ml多的电动机,越应引起注意5微步驱动技术在开环系统中应用的局限性以上分析说明,由失调角引起的失动量,随着电动机运行拍数的增加而增大通常步进电动机的运行拍数主要取决于相数,不是很大的数值但是在步进电动机采用微步驱动技术时,运行拍数就几乎不受限制了,ml的值可到达数以千计,失调角和失动量对应的脉冲当量数可能相当可观现举例比照说明设有一大型精细工作台,用步进电动机通过滚珠丝杠传动,滚珠丝杠的螺距为4mm要求步进电动机与o丝杠直接连接,中间不加减速齿轮,脉冲当量为△s=
0.001mmo即要求每转4000步的步进电动机选用步进电动机可有二种不同的方案
①采用五相混合式步进电动机90BYG550A,它的最大静转矩TK=2N-m,步距角b=
0.36(4-5通电)让它四细分运行,步距角细分后为0b=
0.09°,即五相八十拍运行,m80
[2];
②采用五相混合式步进电动机90BYG5200A(***哈杭电伺服技术研方案⑴的失动量大得多,再加上其他因素的影响,失动量可能超差,不满足使用的要求以上二种方案中的步进电动机,它们的尺寸、转矩几乎一样,运行时的分辨率也一样但是后者转子有较多的齿数(zr=200),因而有较小的步距角,前者则转子齿数较少(z『50),靠电路细分(微步技术)获得同样小的步距角这二种系统似乎有一样的性能和功能,但事实上不一样,后者具有更大的“刚度”,即加同样负载时,机械失调角小(虽然电危度栩同)6结论微步驱动技术,如果仅仅用来提高电动机运转的平稳性,那末可无限地细分,直到它的电流波形趋近于连续变化如果用在闭环控制系统中,根据位置检测来定位也一样但是,如果应用在开环系统中,要求足够的定位精度时,那就有相当的局限性,主要可应用在负载转矩几乎为零或很小的场合,或者反过来讲,在这种应用场合下,电动机的带载能力很小,并不是电动机带不动负载,而是说负载增大时很容易引起超差而受到限制。