用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻寺特性的測(cè)量
胡家華 劉端增 （哈爾濱機(jī)電�？茖W(xué)校150076）
1引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性是反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作單步運(yùn)行時(shí)，其****允許負(fù)載為tq：
式中tjmax——****靜態(tài)轉(zhuǎn)矩
θbc——步距角
用電弧度表示步距角時(shí)，θbc=2π/n。則****允許負(fù)載可表示為：
隨著輸入脈沖頻率逐步增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐步增高時(shí)，就可以看到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值將逐步下降。這就是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所發(fā)出的轉(zhuǎn)矩是隨著脈沖頻率的升高而減少。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與電源脈沖頻率的關(guān)系稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩一頻率特性，簡(jiǎn)稱運(yùn)行矩頻特性，如圖1所示，它是一條下降的曲線。
電機(jī)的矩頻特性包括牽入矩頻特性和牽出矩頻特性。牽入矩頻特性指的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在恒定頻率脈沖串驅(qū)動(dòng)下電機(jī)拉入同步時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的****恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系。測(cè)量時(shí)，先給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，然后用一串恒定頻率的脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如果電機(jī)能和驅(qū)動(dòng)脈沖同步運(yùn)行而沒(méi)有丟失脈沖，那此頻率脈沖能將該負(fù)載拉入同步，經(jīng)過(guò)若干坎這樣的試驗(yàn)以后，可找到能夠拉入同步的****負(fù)載轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩即為該驅(qū)動(dòng)脈沖頻率下的牽入轉(zhuǎn)矩。改變驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率，重復(fù)以上的步驟又可以得到另一牽入轉(zhuǎn)矩。這樣多次改變驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率，就可以得到牽入轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系，即起動(dòng)矩頻特性，如圖2所示。牽出矩頻特性指的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在恒速運(yùn)行時(shí)不丟步，與驅(qū)動(dòng)脈沖同步所發(fā)生的****轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)脈沖頻率之間的關(guān)系。測(cè)量時(shí)，先使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行在給定脈沖頻率上，然后逐漸增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)剛要失去同步時(shí)，可測(cè)出此時(shí)電機(jī)的****負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩即為該驅(qū)動(dòng)脈沖頻率下的牽出轉(zhuǎn)矩。改變驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率，重復(fù)上述步驟，可以測(cè)得牽出轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)脈沖頻率之間的關(guān)系，即牽出矩頻特性。
2測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
整個(gè)系統(tǒng)分為三大部分。8098單片微機(jī)部分，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流電動(dòng)機(jī)控制部分，轉(zhuǎn)矩檢測(cè)和轉(zhuǎn)角測(cè)量部分。微機(jī)部分主要由顯示電路、鍵盤電路、存貯器電路和打印機(jī)等組成。用來(lái)顯示運(yùn)行狀況和測(cè)量結(jié)果、打印報(bào)告單、鍵入有關(guān)常數(shù)以及系統(tǒng)控制等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。在軟件的控制下，由8098單片機(jī)的高速輸出通道hso.0、hso.1、hso.2輸出脈沖，并通過(guò)光電耦合器til113控制大功率管3dg28的導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通電與斷電，達(dá)到步進(jìn)目的。光電隔離的作用是將計(jì)算機(jī)部分和大功率部分隔離開(kāi)，以防止強(qiáng)信號(hào)竄入計(jì)算機(jī)部分，造成不應(yīng)有的故障。
直流電動(dòng)機(jī)的控制是由8098單片機(jī)的高速輸出通道hso.3和hso．4經(jīng)光電隔離和小功率直流繼電器與直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組和激磁繞組接，控制電樞和調(diào)節(jié)激磁電流，用以保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的調(diào)節(jié)和通斷。
轉(zhuǎn)矩的測(cè)量是通過(guò)zj型轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)現(xiàn)的。zj傳感器的原理圖如圖5所示。中間為一彈性軸1，其兩端安裝有兩個(gè)相同齒數(shù)的齒輪2，每個(gè)齒輪的外側(cè)各安裝一塊磁鋼4，磁鋼上備繞有信號(hào)線圈3。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于磁鋼與齒輪間的氣隙磁導(dǎo)隨著齒槽位置的變化而發(fā)生周期性的變化，使穿過(guò)信號(hào)線圈的磁通萬(wàn)也發(fā)生周期性的變化，于是在信號(hào)線圈中分別感應(yīng)出電勢(shì)，在外加轉(zhuǎn)矩時(shí)，彈性軸的一端相對(duì)另一端產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角笳，a與外加轉(zhuǎn)矩成正比。在兩個(gè)信號(hào)線圈中感應(yīng)電勢(shì)的相位差角也隨轉(zhuǎn)矩的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。兩個(gè)線圈中的感應(yīng)電勢(shì)為u1、u2：
