混合式步進驅動單元的高速運行性能
王宗培1，韓光鮮1，程 智2，任 雷2
(1．哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2．珠海運控電機有限公司，廣東 珠海 519001)
摘要：討論了混合式 步進電機的結構參數對高速運行性能的影響，包括轉子鐵心的單元數、繞組匝數及磁系統尺寸的優化等。步進驅動單元的高速運行性能可以用****牽出功率作指標，它主要取決于電動機的綜合參數(K√L)，以及驅動器的電壓和電流。 關鍵詞：混合式步進電動機；結構參數；高速運行性能；****牽出功率
中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼{A 文章編號：1001-6848(2000)05-OD03-04
l 引 言
混合式步進電動機，從結構和原理上講，它就是l臺永磁感應子式低速同步電動機，它的轉子齒數對應于極對數，一般相當多。例如典型的轉子齒數Z=50，就是1臺極對數P-Z，=50的同步電動機，定子繞組通以頻率，一50Hz的交變電流時，同步運行的轉子轉速為：
作為步進電動機運行時，畝驅動器給電動機供電，它的功放部分實際上是1臺逆變器，由控制脈沖的頻率控制電動機繞組電流的頻率，從而改變電動機的轉速之間的關系如下：
對應的控制脈沖頻率分別為0.4、4和8k脈沖／s。如果步距角改為θ=0.360，與同樣的轉速對應的為f。=1、10。可見對于步進電動機，雖然轉速與控制脈沖頻率成正比，但僅僅Jcp的還不能表明轉速的離低，實際上它與步距角的乘積才表明轉速的高低，如式(3)所示。
標準的混合式步進驅動單元，通常在每分鐘幾十到幾百轉的范圍內運行，每分鐘接近千轉或以上應認為是高速運行的范圍了。很多應用場合要求的轉速不高，數控線切割機床工作臺的控制就是一個實例，它要求步進電動機的轉速僅2r/s輸出的機械功率很小，通常很少提到它們的功率，只提到輸出轉矩的要求和啟動頻率等。
隨著近代技術的發展，為了提高勞動生產率，很多數控裝置要求步進電動機帶載高速運行，例如包裝機、印刷機、制袋機等。因此研究和開發高速運行性能好的混合式步進驅動單元成為當前重要的發展方向，備受制造者和用戶的關注。
高速運行性能的主要指標或基本指標，可以用****牽出功率或****可用功率來表示。本文研究電動機和驅動器的基本參數對高速運行性能的影響，用實例說明高速運行性能的若干基本概念，有利于正確設計和選用步進驅動單元。
2 基本關系
混合式步進電動機，當前大都采用電流波形控制的驅動器供電，在一定頻率范圍內繞組電流波形與給定電流一致，保持基本不變的值，電動機的****輸出轉矩也能保持基本不變，****輸出功率則隨轉速升高而增大。到一定的頻率fk以后，電流失去控制，將隨轉速進一步升高而減小，相應地****輸出轉矩也下降，要求1臺電動機高速性能提高歸結為臨界頻率fk的增大，相應地****輸出功率也上升。詳細的分析和研究表明，這二項指標與電動機和驅動器的基本參數之間有如下關系[1]：
與fk相應的轉子角速度：
****牽出功率：
****可用功率約為：
以上式子，主要是式(6)和(8)，清楚地表明，驅動單元的高速性能主要取決于驅動器的電壓(V)和電流(IN)，以及電動機的旋轉電壓系數(K)、電感(L)和轉子齒數(Z)。對于一種電動機，Z，是不變量，Ke和三是可以通過鐵心和繞組的設計來改變，Vd。和JN也可以通過選用不同規格的驅動器來改變。
3轉子鐵心單元數的影響
混合式 步進電機的轉子是分段結構，二段硅鋼片迭成的鐵心中間夾著一片軸向充磁的永磁體組成一個單元。在系列步進電動機中，同一機座號即相同沖片的電動機，轉子鐵心可以是1個、2個……或更多的單元構成，做成不同規格的電動機，它們的鐵心長度成倍數增大，保持轉矩也成倍數增長。如果定子繞組匝數不變，繞組的電感和旋轉電壓系數也按比例增大。表1列出的例子是珠海運控電機有限公司生產的86社機座二相混合式步進電動機的部分產品。它們的外形尺寸如圖1所示。 表1表明，同一機座號長的電機與短的電機相比，保持轉矩可以成倍增長，但它佃的K。／L的比值基本不變，在驅動器功放級電壓不變的情況下，****牽出功率和****可用功率級便基本相同。小的電機轉矩小一些但轉速可以高，大的電動機轉矩大但轉速偏低，所以****可用功率相同也不奇怪。
圖2是86BH250B (3)和86BH250c,(3)樣機實測的牽出特性，fe。-f．處是二級牽出特性的交點。在fe。>fi的頻域內，小電動機的牽出功率和牽出轉矩更大一些。可見，當用戶在發現步進驅動單元帶載能力稍感不足時，簡單地認為改用1臺保持轉矩大的電動機就能解決問題的認識是片面的。這要看在哪個頻域的帶載能力不足，如果是較低頻段轉矩不夠，那很好辦，將86BH250B(3)改為86BH250c(3)，牽出轉矩有相當大的提高，情況就會改善，但如果是高頻段，fcp>f處轉矩不足，那就不一樣了，改成為86BH250C (3)情況會更差，因為在該頻段86BH250C(3)的牽出轉矩和功率比86BH250B(3)還要小一些。
4 線圈匝數的影響
混合式步進電動機要產生一定的轉矩，每極上的線圈需要有足夠的安匝數。這是電流和匝數的乘積，可以電流小一些匝數多一些，也可以電流大一些匝數少一些，而安匝數不變，電動機的保持轉矩也不變。電動機的旋轉感應電壓與繞組匝數(Ⅳ)成正比，繞組電感與繞組匝數的平方成正比，于是得到比值與匝數的關系：
即譬的值與線圈匝數成反比，可見電動機的牽出功率在V不變的條件下也與匝數成反比。匝數減少，****牽出或輸出功率增加。以86BH250B型電動機為例，繞組匝數改變時基本參數變化的情況如表2所示。
表2參數清楚地表明，同一臺電動機的保持轉矩不能改變，****輸出功率卻可以通過減少匝數加大電流來增大，這從電動機的角度可以理解為主要是因為繞組電感減小，使得可控頻段拓寬轉速增高的緣故。從驅動器的角度看，實際上減少匝數要求提供更大的給定電流，在功放級電壓不變的條件下，增大了可提供的功率，這就是減少匝數提高驅動單元可用功率的前提條件，提高電動機的****輸出功率，要求功率驅動器的容量增大，在功放級電壓不變的條件下增大電流，這是很自然的，因為對電動機來說沒有更大的輸入功率提供，怎么可能會增大輸出功率。
5 電動機磁系統優化設計的影響
磁系統的優化設計是混合式步進電動機設計的根本問題，涉及整個磁系統所有幾何尺寸的優化，還有導磁材料和永磁材料選用等問題[2]，很是復雜，不屬于本文討論的范圍。這里只想從高速運行性能的角度，對優化的目標提出一些見解。
前面的討論已經得出，增加轉子鐵心單元數****輸出功率基本不變的關系，主要是因為比值K。／L同時按比例增大或減小的緣故。如果改進一個鐵心單元電動機的設計，能使得Ke增大而L不變，或者K。增太比L快一些，即只要使K。／L增大，就可以使****輸出功率增加。根據這樣的思路，對電動機的磁系統作修改設計，制造了改進的86BH250口-1系列步進電動機，其基本參數如表3所示。新電動機的K。／L比值與原86BH250口相比有所增加，如圖3所示。
圖4示出86BH250C-1(3)的實測牽出特性，可以看出牽出功率比86BH250C(3)增加了。
圖4中還給出86BH250C-1(8)的牽出特性，****牽出功率達620W，****可用功率約為440W，作為86#機座的混合式步進電動機，堪稱是輸出功率的冠軍了。
6 結 論
(1)提高步進驅動單元的高速運行性能，就是要增加其高速帶載能力，所以用最犬牽出功率或****可用功率來作為高速運行性能的指標是合適的。
(2)對驅動單元****牽出功率起主要影響的基本參數包括驅動器的電壓(Vd。)、電流(/N)、電動機的轉子齒數(Z，)、旋轉電壓系數(K。)和繞組電感(L)。
(3)混合式步進電動機鐵心單元數增加，電動機加長時，保持轉矩可以成倍數增大，****牽出功率卻不變。
(4)電動機繞組匝數減少時，繞組電流及驅動器的電流相應增大，電動機的保持轉矩不變，****牽出功率卻增大了。
(5)磁系統的優化，以(K。／L)比值****為目標，有可能獲得****牽出功率的增大，即高速運行性能的提高。
(6)86BH250C-1(8)與MC - 21812配套的驅動單元，達到了很高的高速運行性能指標。
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