二相混合式步進(jìn)電機(jī)

二相混合式步進(jìn)電機(jī)一種混合式電機(jī)01簡(jiǎn)介兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中存在的不足細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作過程控制方式的研究現(xiàn)狀目錄0305020406基本信息二相混合式步進(jìn)電機(jī)是一種混合式電機(jī)。二相混合式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。常見的定子有8個(gè)極或4個(gè)極，極面上均勻分布一定數(shù)量的小齒;極上線圈能以兩個(gè)方向通電。它的轉(zhuǎn)子也由圓周上均布一定數(shù)量小齒的兩塊齒片等組成。這兩塊齒片相互錯(cuò)開半個(gè)齒距。兩塊齒片中間夾有一只軸向充磁的環(huán)形永久磁鋼。顯然，同一段轉(zhuǎn)子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉(zhuǎn)子片的極性相反。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介圖3-1混合式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。常見的定子有8個(gè)極或4個(gè)極，極面上均勻分布一定數(shù)量的小齒;極上線圈能以兩個(gè)方向通電，形成A相和萬相，B相和B相。它的轉(zhuǎn)子也由圓周上均布一定數(shù)量小齒的兩塊齒片等組成。這兩塊齒片相互錯(cuò)開半個(gè)齒距。兩塊齒片中間夾有一只軸向充磁的環(huán)形永久磁鋼。顯然，同一段轉(zhuǎn)子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉(zhuǎn)子片的極性相反?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1.圖3-2是四相混合式步進(jìn)電機(jī)以圓周展開的剖面模型。圖3-2上圖是轉(zhuǎn)子S極所出的剖面圖，圖3-2下圖是N極剖面圖。圖3-2中，定子齒距和轉(zhuǎn)子齒距相同。先考慮磁極I和磁極IB下面的磁場(chǎng)。定子線圈通電后，磁極I產(chǎn)生N極，磁極m產(chǎn)生S極

。圖3-2因?yàn)镹極這段的轉(zhuǎn)子齒和S極轉(zhuǎn)子齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，所以，僅靠定子電流磁場(chǎng)并不能向磁阻式電機(jī)那樣產(chǎn)生有意義的轉(zhuǎn)矩。但是，把永久磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加上去，情況就不一樣了。因?yàn)榇艠OI下面的兩冷磁場(chǎng)相互增強(qiáng)，因此產(chǎn)生向左的驅(qū)動(dòng)力;而磁極m下面的兩個(gè)分量相互抵消，向右的力大大削弱。再看圖3-2下圖，磁極m下面的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向相同，磁極I下面的磁場(chǎng)方向相反，最終得到向左的合力。轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)力的作用下將轉(zhuǎn)過工齒距，驅(qū)動(dòng)力降為零，達(dá)到平衡位置。如果切斷磁極I、III的激磁，同時(shí)向磁極II,IV上的線圈通入電流，分別產(chǎn)生S極和N極。轉(zhuǎn)子將向左再走一步。按照特定的時(shí)序激磁，如A-B-A-B-A-"'，電機(jī)就能沿逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。改變激磁時(shí)序，以A-B-A-B-A-…激磁，電機(jī)將沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，是一類高度非線性的機(jī)電裝置。1986年Hanselman采用磁場(chǎng)的“磁絡(luò)單元法”來計(jì)算反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的磁場(chǎng)。1988年，GHeine提出了精確的混合式步進(jìn)電機(jī)的等值磁絡(luò)模型，首次在模型中考慮了定子極間漏磁通，每極邊緣轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)矩角特性及步距誤差的影響，分析了四相混合式步進(jìn)電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)矩角特性及步距誤差的影響，但是這種模型耗費(fèi)的機(jī)時(shí)量仍然很大

。為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)分析，沿用G.Heine提出的混合式步進(jìn)電機(jī)等值磁絡(luò)模型，以典型的二相八極混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，忽略鐵心飽和和高次諧波對(duì)電機(jī)磁系統(tǒng)的影響(鐵心飽和和高次諧波往往是步進(jìn)電機(jī)極限運(yùn)行時(shí)的狀況，正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)對(duì)定性分析的結(jié)論有原則性的影響)，建立了分析細(xì)分驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)化基本數(shù)學(xué)模型?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電感參數(shù)的特點(diǎn)與普通電機(jī)有區(qū)別，具有軸向和徑向混合的磁系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子雙凸結(jié)構(gòu)。在二相混合式步進(jìn)電機(jī)磁絡(luò)模型簡(jiǎn)化磁路圖中，定子八個(gè)極中在直徑上相對(duì)的兩個(gè)極的電磁狀態(tài)完全相同，可以合并。這樣電機(jī)的每一端只有4條支路。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自戴化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)私器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)申機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步進(jìn)角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2工業(yè)控制中采用的定子磁極上帶有小齒，轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構(gòu)，其步距角可以做得很小。圖2混合式步進(jìn)電機(jī)繞組接線圖中A,B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個(gè)凸出的磁極，1,3,5,7磁極屬于A相繞組，2,4,6,8磁極屬于B相繞組，定子侮個(gè)極面上有5個(gè)齒，極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個(gè)磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個(gè)齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，定轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同

。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作過程兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作過程當(dāng)兩相控制繞組按AABB或BBAA的次序輪流通電，侮拍只有一相繞組通電，四拍構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。當(dāng)控制繞組有電流通過時(shí)，便產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，它與永久磁鋼產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)知，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，在轉(zhuǎn)子N極端磁極1上的繞組產(chǎn)生的S磁極吸引轉(zhuǎn)子N極，使得磁極1下是齒對(duì)齒，磁力線由轉(zhuǎn)子N極指向磁極1的齒面，磁極5下也是齒對(duì)齒，磁極3和7是齒對(duì)槽。由于兩段轉(zhuǎn)子鐵芯上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，在轉(zhuǎn)子S極端，磁極1'和5’產(chǎn)生的S極磁場(chǎng)，排斥轉(zhuǎn)子S極，與轉(zhuǎn)子正好是齒對(duì)槽，磁極3’和7’齒面產(chǎn)生N極磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子S極，使得齒對(duì)齒。因轉(zhuǎn)子上共有50個(gè)齒，其齒距角為3600/50=720_寧子仇個(gè)極即所占的街?jǐn)?shù)為不是整數(shù)，因此當(dāng)定子的A相通電，在轉(zhuǎn)子N極，磁極1的5個(gè)齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個(gè)齒和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯(cuò)位，即1.80，A相磁極3的齒和轉(zhuǎn)子就會(huì)錯(cuò)位3.60，實(shí)現(xiàn)齒對(duì)槽了。磁力線是沿轉(zhuǎn)子N端~A(1)S磁極~導(dǎo)磁環(huán)~A(3')N磁極~轉(zhuǎn)子S端~轉(zhuǎn)子N端，成一閉合曲線。當(dāng)A相斷電B相通電時(shí)，磁極2產(chǎn)生N極性，吸合離它最近的S極轉(zhuǎn)子7齒，使得轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過1.80，實(shí)現(xiàn)磁極2和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒，此時(shí)磁極3和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯(cuò)位。依次類推若繼續(xù)按四拍的順序通電，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，侮通電一次即侮來一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1.80，即稱步距角為1.80，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈需要360/1.80=200個(gè)脈沖

。在轉(zhuǎn)子S極端也是同樣道理，當(dāng)繞組齒對(duì)齒時(shí)，其旁邊一相磁極錯(cuò)位1.應(yīng)用中存在的不足應(yīng)用中存在的不足因?yàn)樵趯?shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，步進(jìn)電機(jī)為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，所以設(shè)計(jì)中比較注重位置定位精確和產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩等方面，從而在定轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中均為凸極結(jié)構(gòu)并會(huì)在極上開有小齒，造成了氣隙磁場(chǎng)存在著較大的空間諧波，從而導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)也會(huì)比較大，容易產(chǎn)生噪聲以至于振蕩。由于混合式步進(jìn)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分別是由轉(zhuǎn)子永磁體和定子勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的，所以受磁路飽和的影響，當(dāng)二者相互加強(qiáng)的時(shí)候，合成的磁通通常是小于兩者的線性疊加，這時(shí)電機(jī)的磁場(chǎng)處于過飽和狀態(tài)，運(yùn)行效率比較低。另外從混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可以看出，在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)很明顯的下降，容易失步，有關(guān)學(xué)者曾就此做了研究提出了降低電流參考值的處理方法，但是也只有一定效果，進(jìn)一步還提出了減少匝數(shù)、增大電流的解決方案，還有人為了增大步進(jìn)電機(jī)高頻時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩提出了減小電機(jī)繞組的L/R時(shí)間常數(shù)的方法

。這些問題也歸結(jié)為一個(gè)振蕩和失步的問題。振蕩的根本原因是轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡位置是還有多余的動(dòng)能，對(duì)于此問題，一般采用阻尼和細(xì)分控制技術(shù)就可以達(dá)到較好的輸出效果，有些國外的學(xué)者通過建立共振檢測(cè)模型，調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組電流的方、法來改善步進(jìn)電機(jī)的這個(gè)問題，還有在對(duì)步進(jìn)電機(jī)繞組電流中的諧波分量進(jìn)行分析過后，通過建立共振閥值模型來對(duì)繞組電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)霓k法。而失步的問題有研究顯示，轉(zhuǎn)子速度慢于步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度、步進(jìn)電機(jī)及所帶負(fù)載存在的慣性、步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的共振等這些現(xiàn)象是嚴(yán)生失步的原因，可以通過優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)的加減速曲線，有效的應(yīng)對(duì)慣性轉(zhuǎn)矩對(duì)失步產(chǎn)生的影響，還有采用細(xì)分控制技術(shù)解決這類問題。控制方式的研究現(xiàn)狀控制方式的研究現(xiàn)狀電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是控制算法的基礎(chǔ)，步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型也是因?yàn)閿?shù)學(xué)理論的成熟逐漸發(fā)展起來，其中Singh-Kuo模型是有代表性的模型，這個(gè)模型忽略了磁滯和渦流損耗，假設(shè)相繞組中產(chǎn)生的磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角按正弦規(guī)律變化，繞組電感與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)等;之后出現(xiàn)了較Singh-Ku。的改進(jìn)型的Pickup-Russell模型，該模型認(rèn)為繞組磁鏈?zhǔn)抢@組電流和轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)[0l;outs等人借鑒Pickup-Russell模型將繞組磁鏈隨電流變化關(guān)系用電感系數(shù)來表示，提出Leenhouts模型

?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的性能很大程度取決于控制器的優(yōu)劣，從前述可以看到步進(jìn)電機(jī)主要有開環(huán)、閉環(huán)、矢量和智能控制等控制方式。開環(huán)控制使用方便，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單且成本低，在精度要求不太高的場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用，至今也沒有合適的替代產(chǎn)品。但如前所說，這種方式存在一個(gè)振蕩的區(qū)域，尤其是低速運(yùn)行時(shí)接近電機(jī)的共振區(qū)，此時(shí)振動(dòng)和噪聲都比較大。但是對(duì)開環(huán)控制的改進(jìn)也是不斷地在進(jìn)行中，自1975年美國學(xué)者erickson首次在美國增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法后[ysl，隨著微電子和電力電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前世界上混合式步