步進電動機的失調角及精度
王宗培 陳敏祥 (哈爾濱工業大學)
【摘 要】步進電動機象同步電動機一樣，在負載轉矩的作用下，轉子磁極中心線將滯后于氣隙磁場的中心線一個角度，稱為失調角。在開環控制系統中，負載失調角對應于一定的失動量。用脈沖當量來衡量失動量的值時，它與電動機的通電方式，主要是邏輯通電狀態數，即通常所說的運行拍數有關。由此明確了微步驅動技術在開環控制系統中應用的局限性。
【敘 詞】步進電動機，開環控制，精度，失調角，／失動量
1 引 言
步進電動機作為伺服控制器件，它的運行精度是人們十分關心的一個問題。步進電動機常常運行在開環系統中，沒有位置檢測元件及反饋控制，因此運行的精度主要取決于步進電動機本身及機械傳動系統。步進電動機應用系統的設計者，往往對步進電動機的步距角精度提出要求，以期得到較好的運行精度。事實上，這對于負載轉矩十分小的系統來說是正確的；而對于負載轉矩較大的系統，步距角誤差很可能不是十分重要的，失調角的影響可能更大一些，可是常常被忽視了。為此有必要對這個問題作一些基礎的說明，并討論一些與失調角有關的精度問題，對步進電動機應用系統的設汁者，有一定的參考價值。
2 失調角[1]
步進電動機在某一通電狀態下，轉子不帶負載轉矩時有一定的穩定平衡位置，如圖la中的0點，可用圖lb說明這時轉子的位置。轉子受到作用轉矩tl時，便偏離穩定平衡點，轉子磁極中心線滯后于定子磁極中心，可用圖lc表示。tl不超過****靜轉矩tk時，將在一新的位置達到平衡，如圖la中的a。a點偏離0點的角度δ便是該運行
情況下的失調角。可見，失調角的值取決于通電狀態、負載轉矩的大小及矩角特性的波形。要知道它的精確值不是一件容易的事情，但是對它作一些估算和定性的分析是不難的。常常假定矩角特性是正弦波曲線。即
3 轉角失動量
在控制系統中，步進電動機作為執行元件，通過傳動機構帶動控制對象運動，例如數控機床中的刀具或工件。傳動機構和控制對象都是電動機的負載，在工作過程中運動或靜止時，都會表現出一定的負載轉矩，因此也就引起相應的失調角。根據不同情況，負載轉矩可能是恒定的，也可能是變化的；可能相當大，也可能很小；還可能是一個不完全確定的值。以數控車床為例，對控制刀具進給的步進電動機，在切削量不同時，所承受的負載轉矩便不同，重切時有較大的負載，如在大型平面繪圖儀中，步進電動機帶動繪圖頭運動系氣浮支撐，運動時摩擦阻力很小，對電動機來說可忽略不計，相應地它的失調角也就接近于零；對于控制數控線切割機床工作臺運動的這類負載的電動機，主要承受傳動機構的摩擦轉矩，它對電動機有一定的不確定性，但在正、負****值之間。
負載轉矩引起的失調角，使步進電動機開環運行時有可能失去一定的運動量(角位移)。例如，設步進電動機帶動一工作臺負載，負載的轉矩特性如圖2a所示。設在準備狀態時，轉子恰好在0點，對應的失調角為零。給電動機加一系列控制脈沖信號，定子磁場轉過了θ角，或者對應的穩定平衡點轉過了θ角，這時轉子轉過的角度很可能是θ’，比θ差了一個失調角δ(δ為負值)。
可見，轉子似乎轉到最后，少走了δ角，事實上這部分少轉過的角度，在運動的一開始就失去了。在運動剛開始，θ不大，即定子磁極中心線與轉子磁極中心線拉開的距離小于δ時，電磁轉矩的值比t∫小，轉子便不會動，直到θ的值超過δ為止。
同樣，當電動機正向轉過θ角后，又反向轉回θ角，即定子磁極中心線退回到原來位置時，由于反向運動時負載轉矩也反向，轉子仍產生滯后于運動方向的失調角，如圖2c所示。不難看出，電動機反走時轉角失動量為2δ。與前相似，失動量是在反轉開始階段產生的。因為本來超前于轉子δ角的定子磁極中心線，反轉運動剛一開始，變成滯后于轉子δ角。只有當定子磁極轉過2δ時，產生的電磁轉矩才足以與t∫平衡，能帶動轉子運動。所以，只要反轉運行，不論行程是多少，都可能產生這樣的轉角失動量(θl)
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