步进电机系统不同参数对振动特性的影响

1引 言 步进电动机的基本特性，如牵出特性、牵入特性、保持转矩特性及矩角特性等，都较为大家所熟悉。但是步进电动机还有一项较为特殊但很为重要的特性——振动特性，尚较为生疏，缺乏对它的系统完整的认识，这一方面可能是由于对振动特性影响的因素很多，较难掌握其规律性；一方面由于对振动特性定量研究的方法和手段不完善。 作者建立的振动特性测试系统[1]，为实验研究步进电动机系统的振动特性提供了手段，进而建立了步进电动机系统振动特性的仿真模型和方法[2]，解决了对振动特性的定量分析和计算，本文用实验和仿真的方法系统地分析和介绍不同的参数对振动特性的影响，有利于对振动特性进一步了解和掌握，对设计、制造和应用系统的工作者都是必要的。 为使所研究的结果有现实意义和代表性，本文的研究结合实际的系统进行，实际系统由应用最为广泛的二相混合式步进电动机和近代电流型驱动器组成。 2振动特性的一般说明 振动特性用步进电动机转子角速度波动的振幅与控制脉冲频率的关系表示，是衡量电动机运行平稳性的重要特性，振动特性的特点是在不同的频域会出现一些峰值点和振幅增大的区间，前者是某一谐波转矩的频率与固有频率相一致的谐振点；后者则属于零阻尼或负阻尼状态的不稳定区。 图1表示实测的典型的振动特性，被测步进电动机是一台86BH250B型二相混合式步进电动机，基本技术数据为：相绕组电阻R=1.2Ω，电感l=10. 0mH，转子转动惯量J=2.4×10^-4kg．，旋转电势系数Ke=0. 028 6V/(rad/s)，阻尼系数p=l.4×10^-4Nm/(rad/s)，额定相电流1= 3A;保持转矩Tk≥5Nm，定位转矩To=0.15Nm，转子齿数Z= 50，配套的电流控制型驱动器通电状态数可以为m=1、4、8、10或20，功放级电压实验时为30V。 2.1频域的划分 步进电动机有自己的固有频率或自然频率，工程上用下式估算： 将被试电机的数据代人为： 习惯上把fcp=fo附近及以下的频域称为低频段；高频段的划定不是根据频率的绝对值，通常以fcp=mifo附近及以上的频域称为高频段，以上二个频域之间称为中频段。 以图la的特性为例，fo≈160脉冲／s，m1=20，大体上的划分可认为，200脉冲／s以下为低频段，3 000脉冲／s以上为高频段，200～3 000脉冲／s之间称为中频段。图la的特性按频段划分可以看出，在低频段fcp=160脉冲／s处有一峰值，这就是通常所说的低频谐振点；中频段在fcp=400脉冲／s和800脉冲处有谐振点，且fy=5fo处的振幅较高，比较突出；高频段在fe=3 200脉冲／s附近有一振荡区，在fp>3 600脉冲／s处有较明显的不稳定区。 2.2基本电磁周期 步进电机是在不同频率输入脉冲的控制下，按一定的逻辑状态循环通电而运转的，因此存在着二种基本电磁周期，其一是拉制脉冲频率fcp的倒数，即控制脉冲周期： 另一是以通电逻辑循环为周期的电磁系统基波周期，如果电动机的逻辑通电状态数为m1，则有： 电机绕组电压、电流的基波频率为： 相应地对图la振动特性上的谐振点有二种提法，例如fcp=160脉冲／s处的谐振点，对于控制脉冲周期的激扰，是它的基波频率与固有频率相一致；对于基本电磁周期，则是它的m1=20次谐波频率与固有频率相一致，同样，fcp= 800脉冲／s处的谐振点，对于控制脉冲周期是吉次的次谐波振荡，而对于基本电磁周期则是4次谐波的振荡，两种出发点都可以，哪一种能较直观地阐明振荡的机理就从哪一种角度去提出。 3通电状态数的影响 步进电动机是在不同频率的输入脉冲控 一台电动机，除了通电状态数不同以外，其他驱动条件也都在一样情况下测出。图lb是整步运行、步距角最大、分辨率最低的情况，表现出较严重的低频谐振现象，在fCP=fo(160脉冲／s)处有较突出的谐振点，在fep处也有明显的谐振点。图1a为20状态运行，提高了分辨率，低频段的谐振现象不明显。仍有一谐振点，但角速度振动的峰值不大，不到整步时的百分之40，处已感觉不出谐振点，且提高分辨率以后同样fo对应的角速度按比例地降低了。 图1b的曲线表明，在600～1 500脉冲／s之间有明显的不稳定区，图1a的特性，通电状态数增加后，高频段相应地改为L≥3 000脉冲／s处，可看出不稳定现象仍然存在，只是角速度波动的幅值稍低一些，在中频段fcp=400脉冲／s和800脉冲／s处有新的谐振点，这是微步驱动时各微步之间转矩不均匀产生的新的激扰所引起的谐振，可通过对参考电流波形专门的研究克服。 为了校核振动特性的仿真模型和方法，对图1的特性进行仿真，所得结果如图2所示，与图lb的曲线相比较可看出，低频段的曲线基本一致，谐振点对应的频率和峰值基本相符l高频不稳定区的频域及角速度振荡的幅值也大体相符，与图1a昀曲线相比较可看出，低频谐振点及峰值相一致，高频不稳定区的频域相一致，角速度振荡的振幅有些偏高}中频谐振点的位置相一致，fep=800脉冲／s处的峰值稍偏低一些，fcp=400脉冲／s处的峰值偏差较大，这是由于转矩合成时非线性影响未加精确考虑引起的，有待进一步完善，总的来看，仿真结果能基本正确反映振动特性的主要特征，用它研究不同参数对振动特性的影响，主要看振动特性的相对变化。 4功放级电压的影响 图3示功放级电压值不同时的一条振动特性，与图2a相比较，可看出功放级电压对振动特性有明显的影响。功放电压增高时最明显的影响是高频不稳定区向更高的频域移动；功放电压改变时，低频段的振动特性基本不变；中频谐振点位置不变，峰值有所增加。 采取措施对中频振荡加以抑制条件下，用提高功放电压的办法移开高频不稳定区，不失为提高运行平稳性的一种方便的方法。 5结论 (1)采用微步驱动技术提高分辨率，对改善低频运行的平稳性有显著的效果。 (2)微步驱动对高频不稳定性有一定的影响，但不能消除，还需要采取其他措施消除。 (3)微步运行时会引起中频段新的谐振点，需要作专门的研究解决。 (4)提高功放电压能使高频不稳定区向更高的频域移动，有利于提高一定频域范围内运行的平稳性。