【正文】 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變 A， B 相電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角，從而可將一個(gè)步距角細(xì)分為多步。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向順序按照： 這四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；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(dòng)一步，即 90 度。 、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(gè)繞組 A 和 B。 目前自動(dòng)化設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)大量采用同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并由 步進(jìn)電機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)的速度和位置。 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路不但可以提高工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，而且可以有效地提高工作平臺(tái)的定位精度。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。 的 作用對(duì)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)。轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是磁場(chǎng)控制，適于恒功率調(diào)整。 、異步機(jī)調(diào)速 分類與方法 與按 n＝ 60f1/p178。 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。如圖 21 給出了兩種調(diào)速 的 定性曲線。 公 式（１８）同時(shí)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(shí)， 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。由此表明增大電樞損耗，可以增加電機(jī)轉(zhuǎn)速降。換言之，電機(jī) 的 理想空載轉(zhuǎn)速取決于電樞 的 電磁功率。 、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(dòng)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。后者 的 電轉(zhuǎn)差功率可以雙向流動(dòng)，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。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) 。 38 圖 當(dāng) 轉(zhuǎn)子 的 Ｐ s口引入電轉(zhuǎn)差功率Ｐ es 時(shí)，轉(zhuǎn)子 的 軸功率： Ｐ M＝（Ｐ em177。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)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。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。針對(duì)同一定子繞組， 一方面 使主磁極產(chǎn)生 的 磁場(chǎng)保持穩(wěn)定，同時(shí)又要控制 其向電樞傳遞 的 電磁功率。 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。更主要 的 是此時(shí) 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。 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(duì)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。 ： Ｐ 1＝ｍ 1Ｕ 1I1COSφ1 (11) 36 故 對(duì)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。 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。 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)。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。 由于 該功率與轉(zhuǎn)差率成正比，故稱轉(zhuǎn)差功率，其端口簡(jiǎn)稱 35 Ｐ s 口。以異步機(jī)為例，圖 18 是其等效三端口網(wǎng)絡(luò)。鑒于本文重點(diǎn)討論 的 是功率控制，故不贅述。轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速同樣要保證穩(wěn)態(tài)時(shí) 的 轉(zhuǎn)矩平衡，即： Ｍ＝Ｍ fz 由于 調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí)，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)。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。 因此 功率控制調(diào) 34 速時(shí)，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。 電磁轉(zhuǎn)矩： Ｍ＝Ｐ M ／ 33 Ω (４） 故調(diào)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)椋? Ｍ＝Ｐ M2／ Ω 受慣性 作 用， ｔ＝ 0 調(diào)速瞬時(shí) Ω ＝ Ω1 ，故 Ｍ＝Ｐ M2／ Ω1 t=0 此時(shí) 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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速 動(dòng)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(shí)間增大，動(dòng)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。 電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)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(shí)，功率控制造成電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。電磁轉(zhuǎn)矩 調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí)，取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 大小。 從電樞輸出角度觀察，電動(dòng)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(shí)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(jiǎn)稱功率控制，后者簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)矩控制。另 ，定子又 電磁感應(yīng)為電樞 （轉(zhuǎn)子）輸送電磁功率，卻不產(chǎn)生軸功率， 定子又具有電樞 部分特征，這里我們把它稱為偽電樞。 所述電樞定義，異步機(jī) 軸功率產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子， ，異步機(jī)真正 電樞是轉(zhuǎn)子。 直流電動(dòng)機(jī) 主磁極和電樞 結(jié)構(gòu)鮮明， 功能獨(dú)立，無疑符合以上定義。 、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制 32 根據(jù) 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，凡電動(dòng)機(jī)都可劃分為主磁極和電樞兩個(gè)功能部分。 轉(zhuǎn)矩控制僅適于恒功率調(diào)速，它 電機(jī)調(diào)速 局部，而 調(diào)速 普遍規(guī)律。 然而 ，這種觀點(diǎn)尚缺乏理論和實(shí)踐 證明，值 商榷。 應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原 電機(jī)調(diào)速實(shí)質(zhì) 探討，是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展 重要理論問題。 電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一 般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 31 由于歷史原因，只有標(biāo)稱為 12V電壓的電機(jī)使用 12V 外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議： 57BYG 采用直流 24V36V，86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當(dāng)然 12伏的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過要考慮溫升。米 P=2π fM/400(半步工作） 其中 f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱 PPS) 、應(yīng)用中的注意點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合 每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000 轉(zhuǎn)，（ 度時(shí) 6666PPS)，最好在 10003000PPS( 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。 M Ω =2π178。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工 作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 度 / 度（五相電機(jī)）、 度 / 度（二、四相電機(jī)）、 度 /3度 （三相電機(jī)）等。 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。一般來說， Mf與 Mt 之和應(yīng)小于（ ～ )Mmax. 、 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步 進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。 29 （ 6）負(fù)載力矩和最大靜力矩 Mmax。(1+Jt/Jm)] 1/2 （ 17） 式中 fq帶載起動(dòng)頻率（ Hz） fq0空載起動(dòng)頻率 Ml起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸 出力矩（ ) 若負(fù)載參數(shù)無法精確確定 ,則可按 fq=1/2fq0 進(jìn)行估算 . （ 5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。 （ 16） Mt切削力折算至電機(jī)力矩（ ) Pt最大切削力（ N） （ 4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。10175。178。) n電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（ r/min） T電機(jī)升速時(shí)間（ s） 28 Mf=()/(2πηi) 179。178。179。) Js 絲桿慣量 (178。] （ 12） 式中 Jt 折算至電機(jī)軸上的慣量 (178。 Jt=J1+（ 1/i178。 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算： （ 1）計(jì)算齒輪的減速比 27 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，齒輪減速比 i計(jì)算如下 : i=()/() (11) 式中 φ 步進(jìn)電機(jī)的步距角（ 186。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。廣泛 應(yīng)用 于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、 包裝機(jī)械、 計(jì)算 機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 （ 7）、電機(jī)的共振點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180250pps 之間（步距角 度）或在 400pps 左右（步距角為 ），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然 ，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。曲線 1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 （ 6）、運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。 （ 4）、最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。稱之為失步。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語： （ 1） 、步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ =360 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA. 步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 N、 S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。 分類 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。 、 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 特點(diǎn)： 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小