五相混合式步進電動機的空載和短路實驗

王宗培  任雷  程智    (哈爾濱工業大學150001：清華大學)

l  引  言

    五相混合式步進電動機是步進電動機的主要產品之一，繞組電感是它的重要參數，為此作者曾提出了五相混合式步進電動機繞組電感的簡易工程測試方法。這種方法的原理與普通三相同步電機的空載、短路實驗法測定同步電感的方法相一致。在提出和介紹這種方法時，強調了工程性和簡易性，對保證所測參數的精確性沒有強調，也沒有作深入的探討。這是因為在當時，五相混合式步進電動機較完善的分析模型還沒有建立，更沒有實際應用，對繞組電感的精確值并不十分重視。只是在驅動器的配套及作一些性能評估時，往往需要繞組電感的大致值。生產廠家為了滿足用戶的這種需要，也要在產品說明書上提供這樣的數據，采用以上方法，不需特別注意測試的精度，即使用萬用表測得電壓和電流的有效值也可以。

    為了對五相混合式步進電動機各種運行問題進行深入的研究，建立精確的分析模型是重要的基礎。繞組電感幾乎是第一重要的參數，對它的精確測定便很重要。因此對上述測試方法作了進一步的研究，本文介紹這項研究中的主要成果。

2  實驗裝置

    測試裝置如圖1所示。被試電機是日本om公司生產的pk566n—b型五相混合式步進電動機。將五相繞組接成五星型。數據采集卡(a／d卡)為臺灣adventech公司的pcl--812。

3  實驗結果

    用驅動電機帶動被試電機在1～15r／s轉速范圍內旋轉，每隔0．5r／s取一點作為測試點，在每點上分別測出開路情況下每相的電壓,五相短路情況下的每相電流以及分別對五相中一相短路時的相電流(i_ak1,i_bk1，i_ck1,i_dk1，i_ek1)。

(1)測得的旋轉電壓基波幅值與轉速的關系如圖2所示，算得旋轉電壓(基波)系數如圖3所示。曲線清楚表明，①在同一轉速下五相的旋轉電壓不相等，即有一定的不塒稱度。②3臺樣機的測試結果表明，這種不對稱性有一定的規律，例如c相****，從大到小的順序為cdbea。③旋轉電壓系數隨轉速(頻率)的升高稍稍有些下降。④不考慮旋轉電壓的不對稱時，電動機的旋轉電壓系數可用各相的平均值表示，如圖3d所示。

    理想情況下，五相旋轉電壓的相位關系，應是均勻地依次錯開72^o電角度(a、c、e、b、d)。

測試結果表明，依次錯開的角度確實與電角度72^o相差很小，用本測試系統測不出這一誤差，即小于本測試系統的分辨率(若以f_cp=500脈沖／s驅動運行于整步，則相電壓周期為20ms，數據采集速度為25khz，對二相電壓進行隔點采樣，則每周期各自的采集點數為250，若再進行倍密插值，則采樣點可達500．用求二相電壓過零點采樣點數之差的辦法即可求相位差，可見測錯開角度的精度約±o．72^o)，可認為相位關系是對稱的。

    (2)測得短路電流基波幅值與轉速的關系如圖4a所示，也是在同一轉速下各相的短路電流值不相等，而且可以看出，短路電流的分散度比旋轉電壓的分散度要大一些，可見這種電動機除了旋轉電壓不對稱外，繞組的參數也不對稱。

由于上述電壓和電流的不對稱度較小，加上混合式電動機具有正序阻抗與負序阻抗其本相等的特點，可以近似地仍如對稱情況一樣，由繞組的旋轉電壓和短路電流確定相繞組的等效阻抗和等效電感，只是求出各相的參數不相等，如圖4所示。

繞組的平均等效電感為：

電感與轉速的關系曲線如圖4c所示。當然，如果用電動機的平均旋轉電壓及五相短路電流的平均值．直接求出平均等效電感也一樣。

4幾點說明

 (1)不對稱性。五相混合式步進電動機典型轉子齒數z_r=50,步距角0．72^o／0．36^o，即500／1000步／r，應用很方便。但是該轉子齒數是定子相數和極數的整倍數，根據步進電動機原理的要求，定子各磁極的極靴便不可能對稱分布，需要采取所謂的人工錯位。盡管在設計時盡量讓它們對稱，畢竟各個極的極靴形狀和極間距離不能完全一致。這就