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步进电机的失调角及精度

信息来源:MOTEC直流伺服电机代理商-深圳兴弘泰自动化
步进电机的失调角及精度松下伺服一级代理-兴弘泰自动化
1 引 言 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馈控制,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,可是常常被忽视了。为此有必要对这个问题作一些基础的说明,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lb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lc表示。TL不超过最大静转矩TK时,将在一新的位置达到平衡,如图la中的A。A点偏离0点的角度δ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。要知道它的精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θ角,或者对应的稳定平衡点转过了θ角,这时转子转过的角度很可能是θ’,比θ差了一个失调角δ(δ为负值)。

可见,转子似乎转到最后,少走了δ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,θ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δ时,电磁转矩的值比T∫小,转子便不会动,直到θ的值超过δ为止。 同样,当电动机正向转过θ角后,又反向转回θ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2δ。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δ角的定子磁极中心线,反转运动刚一开始,变成滞后于转子δ角。只有当定子磁极转过2δ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,不论行程是多少,都可能产生这样的转角失动量(θL)

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△s,而电动机_个逻辑通电循环有m1种通电状态。由于电动机经m1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(SL)max。但是可看出,越是逻辑通电状态数(m1)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 以上分析表明,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,m1的值可达到数以千计,失调角和失动量对应的脉冲当量数可能相当可观。 现举例对比说明。设有一大型精密工作台,用步进电动机通过滚珠丝杠传动,滚珠丝杠的螺距为4mm。要求步进电动机与丝杠直接连接,中间不加减速齿轮,脉冲当量为△s=0.001mm。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θb=O.36。(4-5通电)。让它四细分运行,步距角细分后为θ’b=O.O9°,即五相八十拍运行,m1=80[2];②采用五相混合式步进电动机90BYG5200A(杭州哈杭电伺服技术研

方案(1)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,运行时的分辨率也相同。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(zr=50),靠电路细分(微步技术)获得同样小的步距角。这二种系统似乎有相同的性能和功能,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。
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