【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許

　　

【正文】 率， 定子又具有電樞 部分特征，這里我們把它稱為偽電樞。定子 這種復(fù)合功能，是異步機(jī)區(qū)別于直流機(jī) 主要特征。 從電樞輸出角度觀察，電動機(jī) 軸功率與電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械轉(zhuǎn)速 關(guān)系為： Ｐ M＝Ｍ Ω (１ ) 或 Ω ＝Ｐ M／Ｍ （２） 公 式（２） 給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸功率和電磁轉(zhuǎn)矩間 量值關(guān)系以外，同時表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終只能 軸功率或電磁轉(zhuǎn)矩兩種控制獲 調(diào)節(jié)，前者簡稱功率控制，后者簡稱轉(zhuǎn)矩控制。 １ . 功率控制 功率控制是以軸功率Ｐ M 為 調(diào)速主控量， 作用對象必然是電樞或偽電樞。電磁轉(zhuǎn)矩 調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 大小。 即 Ｍ＝Ｍfz (３ ) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀工況所確定之后，電磁轉(zhuǎn)矩就唯一 被決定了， 電磁轉(zhuǎn)矩 與調(diào)速控制無關(guān)， 不能隨意改變其量值。 電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速 作用表現(xiàn) 調(diào)速 過渡過程，轉(zhuǎn)矩 變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后結(jié)果，此時，功率控制造成電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 設(shè)電機(jī)調(diào)速前 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為 Ω1 ，軸功率為Ｐ M1，調(diào)速后 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為 Ω2 ，相應(yīng) 軸功率變?yōu)椋?M2。 電磁轉(zhuǎn)矩： Ｍ＝Ｐ M ／ 33 Ω (４） 故調(diào)速時，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)椋? Ｍ＝Ｐ M2／ Ω 受慣性 作 用， ｔ＝ 0 調(diào)速瞬時 Ω ＝ Ω1 ，故 Ｍ＝Ｐ M2／ Ω1 t=0 此時 電磁轉(zhuǎn)矩將與原來 電磁轉(zhuǎn)矩Ｍ 1＝Ｐ M1／ Ω1 不等，轉(zhuǎn)矩平衡被破壞并產(chǎn)生動態(tài)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速 動態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下開始由 Ω1 向 Ω2 過渡，其變化規(guī)律為： Ω1 ＝（ Ω1 － Ω2 ）ｅ－ｔ /T＋ Ω2 （５） 電磁轉(zhuǎn)矩則為：Ｍ＝Ｐ M2／（ Ω1 － Ω2 ）ｅ－ｔ /T＋ Ω2 時間增大，動態(tài)轉(zhuǎn)矩減小，直至電磁轉(zhuǎn)矩與新 負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，即： Ｍ＝Ｐ M2／ Ω2 ＝Ｍ fz， 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 Ω2 不變，電機(jī)調(diào)速結(jié)束。 上述 調(diào)速過程可以由圖 17 的 框圖說明 圖 17 功率控制 調(diào)速流程 功率控制作用 是電樞，主磁場或主磁通量保持不變， 根據(jù) 電機(jī)理論，電機(jī) 的 額定電磁轉(zhuǎn)矩正比于主磁通量，受限于電樞 最大載流量。 因此 功率控制調(diào) 34 速時，電機(jī) 的 額定電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 ２ . 轉(zhuǎn)矩控制 公式（２），電機(jī)轉(zhuǎn)速 在 軸輸出功率不變 前提下，與電磁轉(zhuǎn)矩成反比。由于 受電磁轉(zhuǎn)矩以額定轉(zhuǎn)矩為上限 約束，轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上只能 在 額定轉(zhuǎn)矩以下實(shí)現(xiàn)， 因此 屬于恒功率調(diào)速。 電磁轉(zhuǎn)矩 獨(dú)立控制方法主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩公式： Ｍ＝Ｃ MΦm Ｉ S （直流機(jī)） (６ ) 或 Ｍ＝Ｃ MΦm Ｉ 2COSφ2 （交流機(jī)） (７ ) 受控 的 物理量為主磁通 Φm ， 由于 主磁通量 Φm 產(chǎn)生于主磁極， 因此 轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上是磁場控制，作用對象為主磁極。轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速同樣要保證穩(wěn)態(tài)時 的 轉(zhuǎn)矩平衡，即： Ｍ＝Ｍ fz 由于 調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化， 因此 要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩適應(yīng)于電磁轉(zhuǎn)矩變化，即要求負(fù)載跟蹤電機(jī)。 轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是弱磁調(diào)速，主要用于額定轉(zhuǎn)速以上 的 調(diào)速。鑒于本文重點(diǎn)討論 的 是功率控制，故不贅述。 、功率控制 的 方法與性能 電機(jī)調(diào)速 的 軸功率控制只能 通過 電功率間接控制來實(shí)現(xiàn)。以異步機(jī)為例，圖 18 是其等效三端口網(wǎng)絡(luò)。 圖 等效網(wǎng)絡(luò) 其中電樞（轉(zhuǎn)子）除產(chǎn)生軸功率輸出外，還產(chǎn)生以感應(yīng)電壓ｕ 2 和電流ｉ 2為參量 的 電功率響應(yīng) 。 由于 該功率與轉(zhuǎn)差率成正比，故稱轉(zhuǎn)差功率，其端口簡稱 35 Ｐ s 口。 如果 電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠型，其繞組呈短路狀，Ｐ s 口為封閉不可控 。反之為繞線型，Ｐ s口則是開啟可控 ， 轉(zhuǎn)子可以 Ｐ s口輸出或輸入電功率。由此可見，異步機(jī) 的 功率控制調(diào)速有兩種方式，一種是 通過 偽電樞間接對電樞實(shí)現(xiàn)軸功率控制；另一種是 通過 Ｐ s 口直接控制電樞軸功率。 前者主要適用于籠型異步機(jī)，后者則適用于繞線型異步機(jī)。 １ . 定子偽電樞功率控制。 圖 作為偽電樞，定子向電樞（轉(zhuǎn)子）傳輸 電磁功率： Ｐ em＝Ｐ 1－ △ Ｐ 1 （８） 電樞 軸功率則為： Ｐ M＝Ｐ em－ △ Ｐ 2 (９ ) 故 Ｐ M＝Ｐ 1－（ △ Ｐ 1＋ △ Ｐ2） (10) 可見，控制偽電樞 輸入功率Ｐ 1或增大其損耗 △ Ｐ 1 就可以控制電樞 軸功率，后者顯然是低效率、高損耗 調(diào)速，不宜推薦。 控制Ｐ 1調(diào)速 唯一方法是調(diào)壓 ━━ 變頻， 即所謂 變頻調(diào)速。 ： Ｐ 1＝ｍ 1Ｕ 1I1COSφ1 (11) 36 故 對于 電壓源供電調(diào)節(jié)端電壓Ｕ 1 是控制功率Ｐ 1 的 必須手段。問題 的 關(guān)鍵是為什么不能 單純調(diào)壓，而必須輔以變頻？這是定子 除了 偽電樞 的 功能之外，還同時兼主磁極之故。 前已敘及，功率控制 要點(diǎn)有： ① 保持主磁通量不變 ② 作用對象是電樞或偽電樞 ③ 控制目標(biāo)是軸功率 如果 單純調(diào)壓而頻率不變，定子 的 主磁極功能就要受到嚴(yán)重影響。 根據(jù)電機(jī)理論，做為主磁極，定子 的 主磁通量： Φm ＝Ｅ／ 1ｋ r1ｆ 1 ＝Ｋ Ｅ 1／ f1 ≈ ＫＵ 1 ／f1 (12) 恒頻調(diào)壓 的 結(jié)果，主磁通 Φm 將隨Ｕ 1下降而減小，形成了前述 的 轉(zhuǎn)矩控制。更主要 的 是此時 不但 未能控制功率Ｐ 1， 反而 增大了電機(jī)損耗，與目的 絕然相悖。 設(shè)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)，由轉(zhuǎn)矩平衡方程，電磁轉(zhuǎn)矩： Ｍ＝Ｍ fz＝ const 又 Ｍ＝Ｃ MΦm Ｉ 1COSφ1 ＝Ｃ MΦm Ｉ2COSφ2 (13) 37 設(shè)功率因數(shù)不變，定轉(zhuǎn)子電流Ｉ Ｉ 2 將隨主磁通 Φm 下降而正比增大，其結(jié)果功率 Ｐ 1不變，但定轉(zhuǎn)子損耗： △ Ｐ 1＝ｍ 1Ｉ 12 r1 △ Ｐ 2＝ｍ 2Ｉ 222 r1 將按電流 的 平方律增大。 式（１０），軸功率控制雖能實(shí)現(xiàn)，卻屬低效率高損耗 的 調(diào)速。 為此，異步機(jī)定子 的 功率控制調(diào)速，必須要將定子 的 主磁極和偽電樞兩種功能游離開。針對同一定子繞組， 一方面 使主磁極產(chǎn)生 的 磁場保持穩(wěn)定，同時又要控制 其向電樞傳遞 的 電磁功率。 于是 變頻調(diào)速建立了一條重要原則，就是調(diào)壓變頻，且保證Ｖ／Ｆ（壓頻比）為常數(shù)，這樣就確保了上述控制要求 的 實(shí)現(xiàn)。順便指出，近代變頻調(diào)速 的 矢量控制，實(shí)際上就是遵循這一原理。矢量控制 的 核心思想，是把磁場與轉(zhuǎn)矩游離開，分別加以控制，認(rèn)為調(diào)速 的 根本 轉(zhuǎn)矩，而事實(shí)上游離 的卻是磁場和電磁功率， 雖 然 結(jié)果無誤，但理論上必須加以澄清。 ２ . 轉(zhuǎn)子功率控制 繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī) 的 調(diào)速，可以利用轉(zhuǎn)差功率端口 ━ Ｐ s 口直接控制軸功率。方法是由Ｐ s 口移出或注入轉(zhuǎn)差功率。需要指出： ① 所述 的 轉(zhuǎn)差功率應(yīng)區(qū)別經(jīng)典電機(jī)學(xué)中 的 轉(zhuǎn)子損耗轉(zhuǎn)差功率，為此將后者稱為轉(zhuǎn)子損耗功率，記以 △ Ｐ 2。 ② 轉(zhuǎn)差功率有電能與熱能之分，分別記以 Ｐ es 和Ｐ rs，兩者性質(zhì)不同，對調(diào)速 的 影響 也不 同。 38 圖 當(dāng) 轉(zhuǎn)子 的 Ｐ s口引入電轉(zhuǎn)差功率Ｐ es 時，轉(zhuǎn)子 的 軸功率： Ｐ M＝（Ｐ em177。 Ｐ es）－ △ Ｐ 2 （１４） 式中 的 Pem 為定子向轉(zhuǎn)子傳輸 電磁功率，電轉(zhuǎn)差功率 的 負(fù)號表示從Ｐ s口移出，正號表示從Ｐ s 口注入。Ｐ es 屬電功率，故與電磁功率相合成，結(jié)果使軸功率Ｐ M 發(fā)生變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速 得 到相應(yīng)調(diào)節(jié) 。 電轉(zhuǎn)差功率調(diào)速 的 典型實(shí)例是串級調(diào)速和雙饋調(diào)速，前者 的 電轉(zhuǎn)差功率為負(fù)，流向?yàn)閺霓D(zhuǎn)子移出，故實(shí)現(xiàn) 的 是額定轉(zhuǎn)速以下 的 調(diào)速。后者 的 電轉(zhuǎn)差功率可以雙向流動，既可以移出，又可以注入， 因此 可以實(shí)現(xiàn)低同步和超同步兩種調(diào)速。 當(dāng)Ｐ s口引入 的 是熱轉(zhuǎn)差功率Ｐ rs時， 轉(zhuǎn)子 的 軸功率則為： Ｐ M＝Ｐ em－（ △ Ｐ 2＋Ｐ rs） (１５ ) 顯然熱轉(zhuǎn)差功率 的 引入，增大了電樞（轉(zhuǎn)子） 的 損耗，軸功率隨Ｐ rs 的增大而減小，其典型例子是異步機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。 、功率控制 的 理想空載轉(zhuǎn)速，效率與機(jī)械特性 根據(jù) 電機(jī)學(xué)， 電動機(jī) 的 理想空載轉(zhuǎn)速主要取決于電樞 的 電磁功率，因有： Ω0 ＝Ｐ em／Ｍ （１６） 由于 電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)載所決定，理想空載轉(zhuǎn)速 Ω0 就決定于某一負(fù)載條件下電磁功率 的 大小。 39 功率控制調(diào)速 的 電樞功率可以綜合表達(dá)為： Ｐ M ＝ Σ Ｐ em － Σ ｐ2 （１７） 相應(yīng) 轉(zhuǎn)速： Ｐ M／Ｍ＝ Σ Ｐ em／Ｍ－ Σ ｐ 2／Ｍ （１８） Ω ＝ Ω0 － △Ω (１９ ) 其中 Ω0 ＝ Σ Ｐ em／Ｍ為功率控制調(diào)速 的 理想空載轉(zhuǎn)速， 因此 調(diào)節(jié)電樞 的 電磁功率可以改變電機(jī) 的 理想空載轉(zhuǎn)速。換言之，電機(jī) 的 理想空載轉(zhuǎn)速取決于電樞 的 電磁功率。又， △ Ω ＝ Σ ｐ 2／Ｍ 為電機(jī) 轉(zhuǎn)速降。由此表明增大電樞損耗，可以增加電機(jī)轉(zhuǎn)速降。 電機(jī)調(diào)速 效率表達(dá)為： η ＝Ｐ M／（Ｐ 1－ Σ ｐ i） ＝Ｐ M／（Ｐ em－ △ Ｐ 2) 因此 ， 在 一定 的 軸功率Ｐ M 輸出條件下，控制電磁功率 的 調(diào)速是高效率 的 節(jié)能型調(diào)速，而控制損耗功率 的 調(diào)速必然是低效率 的 耗能型調(diào)速。 公 式（１８）同時刻畫出了功率控制調(diào)速 的 機(jī)械特性，當(dāng)連續(xù)改變電磁功率 Σ Ｐ em 時， 如果 損耗功率不變，電機(jī) 的 理想空載轉(zhuǎn)速隨 Σ Ｐ em 連續(xù)變化，其機(jī)械特性為一族平行 曲線。而增大損耗，電磁功率不變時，電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速不變，改變 的只是 轉(zhuǎn)速降，其機(jī)械特性為一族匯交型曲線。如圖 21 給出了兩種調(diào)速 的 定性曲線。 40 圖 21 ａ .電磁功率調(diào)速特性 ｂ .轉(zhuǎn)速降調(diào)速特性 綜上所述，可以 得 出以下結(jié)論： ① 電磁功率控制調(diào)節(jié) 的 是理想空載轉(zhuǎn)速，損耗功率控制調(diào)節(jié) 的 是轉(zhuǎn)速降。 ② 電磁功率控制是高效率節(jié)能型 調(diào)速，其機(jī)械特性必為平行曲線族。損耗功率控制屬低效率耗能調(diào)速，其機(jī)械特性必為匯交型曲線族。 、異步機(jī)調(diào)速 分類與方法 與按 n＝ 60f1/p178。(1 S）表達(dá)式不同 ， 本文所述 的 電機(jī)調(diào)速功率控制理論，異步機(jī)調(diào)速可分類表示如下： 41 性質(zhì) /方案 控制點(diǎn) /變量 方法 要點(diǎn) 、結(jié)論 1. 電機(jī)調(diào)速 的 基本原理有兩種，一為軸功率控制，二是轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是磁場控制，適于恒功率調(diào)整。 2. 軸功率控制 的 調(diào)速具有恒轉(zhuǎn)矩特性，電磁轉(zhuǎn)矩 的 變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后所造成 的 ，調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩只決定于負(fù)載，與控制無關(guān)。 的 作用對象是電樞或偽電樞， 并最終只能 通過 電功率控制來實(shí)現(xiàn)。其中，電磁功率調(diào)節(jié) 的 是理想空載轉(zhuǎn)速，損耗功率改變 的 是轉(zhuǎn)速降。前者為高效節(jié)能型，后者為低效耗能型，兩者 機(jī)械特性亦由此決定。 4. 變頻調(diào)速和電轉(zhuǎn)差功率控制調(diào)速同屬電磁功率控制調(diào)速，兩者性能一致，并無本質(zhì)差別。 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路不但可以提高工作平臺的運(yùn)動平穩(wěn)性，而且可以有效地提高工作平臺的定位精度。試驗(yàn)表明：步進(jìn)電機(jī) 4 細(xì)分時，電機(jī)每步都可以準(zhǔn)確定位。 目前自動化設(shè)備上的運(yùn)動平臺大量采用同步帶傳動機(jī)構(gòu)，并由 步進(jìn)電機(jī)控制其運(yùn)動的速度和位置。為了使廣大用戶能正確地使用步進(jìn)電機(jī)，我們對步進(jìn)電機(jī)細(xì)分倍數(shù)與平臺運(yùn)動的平穩(wěn)性、定位精度的關(guān)系進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，得出了一些有價值的結(jié)論。 、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理 圖 22 為兩相步進(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖，它有 2 個繞組 A 和 B。 42 圖 22 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖 當(dāng)一個繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此 磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向順序按照： 這四個狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)可順時針轉(zhuǎn)動；控制脈沖每作用一次，通電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動一步，即 90 度。 4 個脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈。 細(xì)分驅(qū)動器的原理是通過改變 A， B 相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而可將一個步距角細(xì)分為多步。當(dāng) A、 B 相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子將停在 A、B 相磁極中間，如