姬清華

（新鄉(xiāng)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

到目前為止，關(guān)于步進(jìn)電機的動力學(xué)特性的一些問題尚未得到圓滿解決，是因為力矩角度關(guān)系的非線性性制約著步進(jìn)電機動力學(xué)的研究。本文根據(jù)實際情況采用近似方法,用折線代替步進(jìn)電機的力矩相角曲線, 在此基礎(chǔ)上作出其相跡圖, 并根據(jù)相跡圖提出當(dāng)步進(jìn)電機高于其極限頻率時的最佳起動方式,并且找到其相應(yīng)的控制電路和試驗結(jié)果。

1 步進(jìn)電機的等值結(jié)構(gòu)圖

我們用圖1表示步進(jìn)電機運行的輸入和輸出關(guān)系,其中g(shù)(t)表示的是輸入量, x (t)表示的是輸出量,θ(t)表示的是前兩者的差值, 也就是步進(jìn)電機的輸入角度。根據(jù)圖(1)我們可以寫出下面所列的拉普拉斯變換方程式:

這里g0=θm, 一個步距的角度, T為脈沖周期。

這是步進(jìn)電機的力矩相角曲線,是一個非線性關(guān)系。

該運動方程式表示的是當(dāng)步進(jìn)電機的初始條件等于零時的狀態(tài)方程[1], 式中MC表示的是靜負(fù)載, J表示的是轉(zhuǎn)動慣量，K表示的是阻尼系數(shù)。根據(jù)上面所列的關(guān)系式, 我們可以得到如圖2所示的結(jié)構(gòu)圖 。

圖1 步進(jìn)電機運行時輸入輸出關(guān)系

圖2 步進(jìn)電機運動方程式結(jié)構(gòu)圖

2 步進(jìn)電機的相跡圖

圖3表示的是步進(jìn)電機的力矩相角曲線的非線性關(guān)系, 在分析這個問題時,我們用直線1與2來近似表示。在這樣的近似的定量計算上我們可以用這種方法近似表示[2], 如果需要比較好的正確度和精確度, 我們近似用三條直線表示, 同樣我們也可以推廣且應(yīng)用下面的討論方法。

直線1與2的方程式如下:

直線2：

實際情況是阻尼系數(shù)K是很小的, 可以忽略不計,并且我們假設(shè)電流的增長是瞬間完成的, 于是分成下面兩種情況討分析討論:

1）無干摩擦轉(zhuǎn)矩MC時的情況。

此種情況下, (4)式可以改寫成下式

并由于第(2)式的關(guān)系, 可以得到

由于直線段l的作用, 可以得到下式

得到相跡方程式如下：

2）存在干摩擦轉(zhuǎn)矩MC時的情況。

這種情況下的相跡方程式如下：

3 步進(jìn)電機的控制

由上面得到的步進(jìn)電機的相跡圖, 我們就可以借助此來研究對步進(jìn)電機的控制,控制要求做到下面兩個方面：1）過渡過程中要做到不失步。2）快速達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)[5]。

在這里我們用起動作為例子進(jìn)行討論。

在步進(jìn)電機的控制過程中首先的是確定控制量,控制量包括脈沖周期T和電流,如果我們變換其中的任一個, 都可以進(jìn)行控制。步進(jìn)電機的起動首先是在以2θm為直徑的圓上上升的，這個圓我們稱之為基本圓, 現(xiàn)在如果假設(shè)MC=0 , 如果我們要步進(jìn)電機穩(wěn)定運行在這個基本圓上,只要算出脈沖周期T。

但假如輸入的脈沖周期恰好是T,一步起動完畢就可以做到, 在第一步時我們使脈沖間隔時間T0可為:

從周期T1開始工作（即第二步）, 這樣就可以達(dá)到一步起動完華的要求。假如脈沖周期不是T1,能一步起動完畢, 這是因為穩(wěn)定工作時步進(jìn)電機的相跡曲線不在基本圓上, 假如要求在這種情況下使其一步起動完畢, 我們可以改變a1, 使a1增加到a1',即變?yōu)榛緢A, 這樣就可以和上面一樣達(dá)到一步起動完畢的目的。但是因為a1不可能沒有限制的增長, 即也就是電流的增長不是無限制的, 其一是磁路飽和, 其二是電機允許發(fā)熱限制, 也就是說, 電機額定電流以下的情況若要通過改變電流的方法來達(dá)到一步起動完畢是受限的, 假如超過了步進(jìn)電機的額定電流, 以下幾步可以幫我們達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，下面我們就討論這種情況。為使步進(jìn)電機起動相跡和最后穩(wěn)定相跡吻合起來，我們可以用改變啟動過程中的某些周期，這個方法通過改變電流實現(xiàn)，但是這種方法使的控制系統(tǒng)變得比較復(fù)雜。

求出步進(jìn)電機的起動相跡之后, 我們就可以利用(11)(15)式算出各段時間tab, tch,…, 起動就可以按照這些時間的控制, 等運動到m后,系統(tǒng)就可以穩(wěn)定的周期TC工作。我們也可以用同樣方法處理其他狀態(tài)過程。

4 實驗系統(tǒng)

運用上面所述方法, 計算并試驗了實際的步進(jìn)電機系統(tǒng)，我們采用的是反應(yīng)式步進(jìn)電機,該電機有60齒, 他的轉(zhuǎn)動慣量J=1.35克/分米秒2,TL=0.0008秒, 圖3表示的是該電機的力矩相角曲線,其類似于直線1和直線2?？梢运愕胊1=108，a2=202 , 當(dāng)起動電流IC=1安作用在該步進(jìn)電機上時, 步進(jìn)電機在脈沖頻率小于110時可以直接起動,但當(dāng)脈沖頻率大于110步進(jìn)電機不能直接起動, 運用本文上面討論的方法進(jìn)行起動的話, 步進(jìn)電機在脈沖頻率高于110赫的情況下就可以起動，按照上節(jié)的方法, 先畫出步進(jìn)電機的起動相跡圖, 起動過程需要四步,第五步步進(jìn)電機就可以穩(wěn)定運行。在起動過程中的每一步, 我們可以根據(jù)上述相跡圖算出,例如電機穩(wěn)定的工作頻率,利用相跡圖可以測得其弧度。

我們用x(t)所表示的是反應(yīng)式步進(jìn)電機的輸出角度,圖下部的波形是當(dāng)時間為秒的標(biāo)記,圖上面表示的是步進(jìn)電機的輸入脈沖,當(dāng)?shù)竭_(dá)第五步后, 也就是步進(jìn)電機穩(wěn)定的頻率fc=193赫茲。

圖4 在fc=193赫茲時起動過程圖

試驗結(jié)果同時也可以告訴我們, 當(dāng)頻率即使高于193赫茲, 采用上述方法,步進(jìn)電機也能夠很好的起動。

[1] 李寧.運動控制系統(tǒng)[M].北京: 高等教育出版社, 2004.

[2] 潘新民.單片微型計算機使用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京: 人民日報出版社, 1992.

[3] 沙占友.單片機外圍電路設(shè)計[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2003.

[4] Choi B L, Park J M.An improved rotor model with equivalent dynamiceffects of the support structure.Journal of Sound and Vibration, 2001, 244(4): 569-581

[5] 孫保蒼, 周傳榮.軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分岔與混沌特性研究[J].振動、測試與診斷, 2004, 24(3): 192-196.

[6] 童小忠, 吳文健, 林成.鎮(zhèn)海發(fā)電廠1號汽輪發(fā)電機組振動的診斷與處理[J].動力工程, 2000, 20(4).