步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)
鄭松嶺 梁東杰 李海平 張衛(wèi)群（河南許昌汽車傳動(dòng)軸總廠）
【摘要】針對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在著低速振蕩、高速力矩小等缺陷，提出一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同步矢量運(yùn)轉(zhuǎn)方式，成功研制了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同步矢量伺服系統(tǒng)。文中對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論、組成等作了介紹，并有應(yīng)用實(shí)例。
【敘詞】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，同步，矢量控制，伺服系統(tǒng)，研制
引 言
各種電機(jī)（包括直線電機(jī)），從磁場(chǎng)觀點(diǎn)去看，其運(yùn)動(dòng)均可視為定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用之結(jié)果，而且兩磁場(chǎng)間保持相對(duì)靜止，只是其作用角（兩磁場(chǎng)間夾角）不同而已。
直流電機(jī)：定子磁場(chǎng)為一固定磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)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(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子中導(dǎo)體切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，并在轉(zhuǎn)子中形成感應(yīng)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)跟隨定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，兩磁場(chǎng)間夾角近似為90度。
同步電機(jī)：定子磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子電樞被直流激勵(lì)為一固定磁場(chǎng)，定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，兩磁場(chǎng)夾角為0度。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，無(wú)論是反應(yīng)式或混合式，不外乎是一個(gè)轉(zhuǎn)子無(wú)外加勵(lì)磁電流的同步電機(jī)。在定子磁場(chǎng)激勵(lì)后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，并在空間的位置保特相對(duì)靜止，即夾角為0度，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(chǎng)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(lái)，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(chǎng)都是“步進(jìn)”的脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。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)。
基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)的均勻連續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在該場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)，如圖1所示。
設(shè)p點(diǎn)為單位圓上的任意一點(diǎn)，矢量沿圓周均勻旋轉(zhuǎn)，模10p1等于常數(shù)；為此要建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，使三相繞組申流過(guò)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(chǎng)矢量
由圖1可得如下方程
整理并解方程得
當(dāng)然，這些也可用電磁場(chǎng)的理論求得，結(jié)果相同。它們是一組相位差為120度的雙峰曲線函數(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)工作手單三拍、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0度，60度，120度．180度．240度圓周角上，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，或單三拍的蘭步。換言之，如bf110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。
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