6ES7214-1AD23-0XB8规格说明各种电机(包括直线电机)，从磁场观点去看，其运动均可视为定子磁场与转子磁场相互作用之结果，两磁场间保持相对静止，只是其作用角(两磁场间夹角)不同而已。直流电机：定子磁场为一固定磁场，转子磁场与定子磁场相互垂直，并保持空间相对位置不变。异步电机：定子磁场为旋转磁场，转子中导体切割定子旋转磁场，产生感应电流，并在转子中形成感应磁场，该磁场跟随定子磁场同步运行，两磁场间夹角近似为90o。同步电机：定子磁场为旋转磁场，转子电枢被直流激励为一固定磁场，定子磁场与转子磁场同步旋转两磁场夹角为0o。步进，无论是反应式或混合式，都不外乎是一个转子无外加励磁电流的同步电机。在定子磁场激励后，转子磁场与定子磁场同步运行，并在空间的位置保持相对静止，即夹角为0o，也就是处于小磁阻状态。当转子与定子的“同步角差”大于步距角的一半时’则发生“失步”现象。步进电动机的定子磁场激励方法，除了因电机绕组相数不同而异外，是同一电机，也有不同方式，于是便产生了许多驱动电路。但归结起来，这些旨在使步进电动机按“步进”方式运行的常规线路，在步进电动机定子中所激励的磁场都是“步进”的脉动旋转磁场。它们在不同程度上使用步进电动机的运转特性存在着低速振荡、高速力矩小，共振、失步、分辨率低、功耗大等缺点，以致不能达到和满足对步进电动机执行伺服所提出的高精度和高速度的要求。对步进电动机的这些缺点，提出了新的驱动概念一步进电动机同步矢量运转方式，并研制成功了sv系列步进电动机同步矢量伺服系统。1系统计算机理论依据基于步进电动机在磁场作用原理上的上述特点，设想在步进电动机定子中产生一个具有恒模场强的均匀连续旋转磁场，使步进电动机在该场的作用下同步平滑地运转。现以三相步进电动机为例，简述其原理。在步进电动机定子中要形成的均匀圆周旋转磁场，如图1所示。设p点为单位圆上的任意一点，矢量筇沿圆周均匀旋转，模lopl等于常数；为此，要建立一个数学模型，使三相绕组中流过的励磁电流，在任意转角都产生一满足上述要求的合成磁场矢量由图1可得如下方程整理并解方程得同理可得当然，这些也可用电磁场的理论求得，结果相同。它们是一组相位差为120o的双峰曲线函数，其波形如图2所示。从图2可看出，当三相步进电动机工作于单三拍、双三拍、三一六拍等任意一种步进运行方式时，其相电流值仅仅是电流波形上的特殊点，如图2中的pl，p2,p3，p4……。它们在一个周期内分别位于0o，60o，120o，180o，240o圆周角上，其幅值等于一个单位，即步进方式运行时，相电流的额定值。还可看出，相电流的每个周期，相当于步进电机步进方式运行时，三一六制的六步，或单三拍的三步。换言之，如bfll0型步进电动机。上述双峰曲线每80个周期，可使它旋转一圈。2 sv系列步进电机同步矢量伺服系统sv系列步进电机同步矢量伺服系统是实现上述原理的典型线路之一，该系统由函数发生器、功率驱动器、及保护电路等部分组成，系统框图如图3所示。2.l函数发生器为了实现直接数字化控制，需将所得出的相电流函数式进行离散。如对上式中进行离散得出式中n为离散一个函数周期所划分的合成矢量点数，它由实际所需要的分辨率确息；n为随机输入的脉冲数，n与，n均为正整数。实现函数离散表达式的函数发生器由一个n进制可逆计数器。rom及d／a转换器等组成，原理如图4所示。离散函数值固化于rom中，输入脉冲改变计数器的状态，对rom选址，把从rom中所取出的相应数据，通过d／a转换器使函数值重现于输出端，为下级功率驱动器提供相电流函数双峰曲线信号。2．2功率驱动器功率输出级采用先进的pwm技术，输出的双峰曲线电流，直接驱动步进电机绕组。2．3电源及保护电路对小型步进电机和对转速范围要求不高的功率步进电机，一般采用固定电压直接供给驱动级；对大、中型功率步进电机和在要求调速范围较宽的使用情况下，则采用变压电源(采用f-v变频变压技术)以提高系统的矩一频特性，并降低输出驱动级的功耗，减少发热现象。保护电路采用高速自动保护技术，在发生过压，短路或过流时，不致对系统造成致命性损坏。现以bfl10型步进电动机为例，说明sv系列步进电动机同步矢量伺服系统中ⅳ的选择、进给脉冲、控制精度及分辨率之间的关系。为了兼顾与步进电动机直连的大多数常用传动丝杠(如螺距为2、3、4、6、8、12mm等)，sv系列伺服系统一般取n=90,步进电机定子所具有的等强度合成磁场矢量点数即等于90x 80=7200个，若与步进电机相连接的传动机构为每转位移6mm，则在开环控制时，每12个脉冲位移10μ／m。进给脉冲与控制位移之间以一定数量的脉冲列为当量单位，并非步进方式的“一对一”关系，这对构成闭环控制系统尤为重要。步进电动机绕组在函数波形为双峰曲线的相电流激励下，前沿平滑上升，克服了绕组电感在常规脉冲驱动线路作用时，使相电流不能突变而产生的过渡过程，有效地抑制了步进电动机运转时的振荡和升速过程中的共振等现象。在高速运转时，相电流呈近似矩形，大大提高了步进电动机的高速矩频特性。步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比，当输入脉冲频率为120hz时，步进电动机转速为lr／min；实测空载高转速超过3000r／min此时，输入脉冲频率按某种设定规律变化时，步进电机转子亦相应作升速、降速、恒速运行。改变可逆计数器的计数方向，即可改变步进电机的旋转方向。也就是说，当直流伺服系统是以o～±10v输入电压控制直流反转从0到高转速变化时，sv系列步进电动机同步矢量伺服系统则是以输入脉冲频率从0开始变化，来控制步进电动机转速的。系统的阶跃响应，外特性硬度等均可与同功率直流伺服系统相毗美。系统采用ttl—数字电路电平，可与计算机直接接口。提高步进电动机定子恒模合成磁场矢量等分点的个数，可提高步进电动机的分辨率和控制精度。如在郑州某厂的应用实例，bfll0型三相步进电动机，取n为125，(曾选用n=250)，步进电动机定子一周合成矢量点数即为125×80=10000个，在机床上与5mm滚珠丝杠直连，组脉冲当量为每1／μm两个脉冲，经反复实用测量，开环控制精度±2μm，重复定位精度±1μm，加工表面粗糙度为rao．04μm，达到了加工工艺的高精度要求，当然，控制精度的进一步提高，必须采用闭环系统，其原理框图如图5所示。如果将步进电动机内部绕组按三相交流电机改接，即成为一个集中绕组的三相交流步进电动机，这时定子中产生的均匀圆周旋转磁场的相电流，即大家熟知的三相正弦交流，其大幅值可减小为步进电机额定相电流的一半。3理论上，步进电动机定子可以用建立恒模合成磁场矢量的方法进行“无限”等分，以任意提高步进电动机的分辨率，但由于磁性材料的非线性和步进电动机本身的结构以及工艺技术等各方面的问题，实际上，步进电动机的定子在相电流激励下产生的合成磁场并非均匀。在一个函数周期内，任意两个相邻脉冲问形成的定子磁场矢量角差，在相电流函数变化率较大与较小时相比较，与理论上的均匀性存在有偏差，影响步进电动机转子微量转角的均匀性(但每个函数的同期偏差基本保持一致)。这些，一方面可以从修正函数入手，另一方面，希望步进电动机生产厂家能在均匀性方面进行改进。在函数电流驱动下的步进电动机已失去了其原来的“步进”意义，电机本身在该系统中仅作为伺服电机来使用。制造厂家应尽量提高同一体积电机的转矩和磁饱和裕量，以便开发出一种完善的自适应驱动系统。l 引 言直线步进是一种直线增量运动的电磁执行元件，是一种将输入脉冲转换成步进直线运动的机电装置。它具有在开环条件下，能直接提供jingque可靠的直线位移、速度和加速度控制，且能静态和动态定位，目前已在数控机械、计算机外设等精密驱动、精密控制领域得到广泛的应用。直线的定位精度是一个十分重面的性能参数。直线步进电机可以用一般的脉冲信号来控制和驱动，但采用一般的脉冲信号，定位分辨率比较低，直线步进电动机主要采用细分电路提高定位分辨率。2直线步进电机的控制系统所设计的样机是二相混合式直线步进电动机，在绕组a和b分别通过正弦、余弦电流，步进电动机即能正常运行。整个控制系统可分成调频电路、细分电路、驱动电路、键盘显示电路、存储器扩展电路等部分，如图1所示。根据混合式直线步进电机的控制特点，要求细分电路满足如下要求。a．由形成频率可调、幅值可调的正弦和余弦信号。b．频率范围为0．6～300hz。c．在细分度允许的条件下，提高定位精度。3细分电路的硬件设计所介绍的细分电路是利用单片机i／d口每隔一定时间输出不同的数字量，该数字量分别为相应时刻的正弦函数值和余弦函数值，经d／a转换就得到正弦和余弦信号，由若干个数字量逼近的正、余弦信号，它的jingque度取决于正、余弦信号的细分度和d／a转换器的分辨率。所选择的细分度为100，d／a转换器的分辨率为10位，硬件图如图2所示。图中仅画出一相输出，另一相输出硬件图基本相同，由于10位d／a转换器ad7520不带锁存器，故8031采用二次操作输出10位数据，先将高2位数据输到74ls74(1)，接着把低8位数据输出到74ls377，把74ils74(1)的内容传送到74ls74(2)，从而实现8031输出10位数据达到ad7520的数据输入线，通过改变ad7520的参考电压vref，可改变正、余弦信号的幅值。为了能改变直线步进电机的速度，必须输出的正弦、余弦信号是一种频率可调的信号，采用adc0809将模拟量转换成数字量，并作8031定时器o的时间常数。设8031定时器0采用工作方式0，则时间常数为13位，低5位固定，高8位采用adc0809转换的数字量，通过改变ai)c0809的输入模拟量，改变adc0809输出的数字量，从而改变了定时时间常数，达到改变正弦、余弦信号频率的目的。4细分电路的软件设计为了节省cpu时间，对正弦、余弦信号的数字量，不是采用即时计算的方法确定，而是预先经过计算，形成一个正弦函数表，存放在单片机的存储器中，通过查表形成正弦波，余弦波的形成只是在查表时相差90o。一般，对于正弦、余弦信号的逼近，细分度和d／a转换器分辨率越高，定位精度就越高。但细分度越高，要求单片机速度越快，且d／a转换器的分辨率也受到价格和单片机速度的影响，根据样机的控制特点，选择细分度为100，d／a转换器分辨率为10位。按细分度n=100，将正弦波一个周期分为100等份，则计算某一函数值的公式为：式中 d——某一正弦函数值n——细分度n——取0～100将此值转换为16进制数，加上偏移码，即得某一正弦函数的数字量，对于双极性的10位d／a转换器，偏移码为0200h，即此值ad7520双极性输出为零伏。正弦、余弦信号子程序框图如图3所示。5a．实验结果表明，采用查表形式，单片机能产生频率可调、幅值可调的正、余弦信号，方便地实现细分驱动及直线步进电机的速度控制。b．由于采用较高分辨率的细分电路，使直线步进电动机定位精度得到提高，样机的定位精度达o．04mm1永磁步进通常要求测矩角特性。所谓矩角特性，即在一个步距角范围内，静力矩与角位移之间的关系。一般矩角特性的关系曲线如图1所示。图1中θ为一个步距角。θ/2即曲线3处，静力矩，即曲线2.4处，静力矩大。曲线1、2处和5、4处，为静力矩上升段；曲线2、3和4、3处，为静力矩下降段。可以看出，测量矩角特性并不简单，它不能用简单吊砝码方法进行测量。因吊砝码只能测试曲线的上升段，即图1曲线中的1-2段和5-4段（5-4段用反向吊砝码测试），此2处角位移增大，静力矩增大。进入曲线下降段，即图1曲线中的2-3段和4-3段，此2处角位移增大，静力矩反而减小，吊砝码则无法找到平衡点，测试无法进行。为了测试静力矩的下降段，因必须将夹在力矩仪上进行。这样角位移指示又很不方便，不像将电机夹在刻度盘上吊砝码测试简捷。能否驭其二者和优点，找到一种两全其美的方法测试矩角特性，本文介绍的方法，则是为解决这一问题而设计的。2测试原理测试示意图如图2所示，它将电机外壳装夹在光学分度头上，电机轴上带一力矩盘，用拉线吊一超重砝码，压在秤台面上，电子秤显示出砝码的自重。所谓超重砝码，目的是要使选择的砝码重量，大于电机静力矩大点拉线拉力的3倍。例如，若电机静力矩大点拉线拉力为0. lkg，砝码重量则应选择标称值0. 3kg。这样选择的目的，是为了测试时，固定电机转轴不动，摇动光学分度头，只电机机壳转动，二者之间的角位移，便可准确地从光学分度头上读出来。二者角位移产生时，静力矩产生，由于静力矩方向与砝码重力方向静力矩的大小便可方便地从电子秤上砝码减轻的重量上自动显示出来，即实现自动平衡测试。静力矩上升段，砝码自动变轻；静力矩下降段，砝码又自动变重，直到静力矩等于零，砝码恢复原重。这样，便克服了单独吊砝码静力矩超过大点无法平衡的问题。例如，静力矩上升段某点拉线拉力为0. 05kg，砝码自重0.2kg，电子秤上显示砝码读数则为0. 15kg。静力矩下降段，因砝玛重力与拉线拉力自动平衡，各点的静力矩，仍然同上升段一样，从电子秤上减轻的砝码重量上显示出来。角位移为o点，静力矩为o，电子秤则显示砝码的自重0. 2kg。3测试实例以步距角为909的永磁步进电机矩角特性测试为例，测试电压5v，大静力矩3 6nm，力矩盘半径2cm，选择砝码自重0.2kg。表1是一个步距内00～450的矩角特性和各点测试数据。450～900因需反向吊砝码测试，且测试方法同正向一样，故未列出。表1中各点静力矩为拉线拉力乘力矩盘半径2cm。拉线拉力等于砝码自重0.2kg减去电子秤读数。由表1数据可画出该电机的矩角特性，如图3所示可知，用该法测量静力矩的下降段、准确、可靠。4应注意的问题(1) 00位置的确定。该法在拉线无拉力酌情况下，摇动光学分度头，转轴同机壳是一起旋转的。在确定o。位置时，应观察电子秤上砝码自重的变化情况。00位置，光学分度头稍一摇动，电子秤上砝码会自重变轻i退回，砝码恢复自重，读出此点光学分度头上的度数，记为角位移的00。此后便可从o。开始加大角位移，进行各点测试。(2)砝码重量的选择。砝码自重的选择，建议选择大于拉线拉力的3倍。这是因为，砝码越重，在拉力作用下位移越小。如果砝码自重稍大于拉线拉力，在静力矩大点处，则会出现混乱，电子秤读数不准确。如笔者在进行上述电机测试时，静力矩大点拉线拉力为0. 068kg，开始选择自重0.lkg砝码测试，则出现上述混乱现象，后选择自重0. 2kg砝码，才得到满意结果。5优点从上面叙述中已经知道，缺点是该法光学分度头输出轴上要承受力矩，这对精密的分度装置不利。静力矩小于0. 02nm，不会对分度头产生多大影响，静力矩大于0. 02nm的电机，则不宜用上法测试。为了解决这一问题，也可采用同样的电子秤方法，将电机夹在刻度盘上进行，机壳上带一指针，转动机壳，便可在刻度盘上指示角位移。只是角位移指示准确度比光学分度头差。但角位移准确度不一定要求很商，它只须观察静力矩在整个角位移范围内的变化即可。当静力矩较大时，也可降低电压，减小静力矩，仍可夹在光学分度头上进行测试。
