1引 言
步進電動機的基本特性，如牽出特性、牽入特性、保持轉矩特性及矩角特性等，都較為大家所熟悉。但是步進電動機還有一項較為特殊但很為重要的特性——振動特性，尚較為生疏，缺乏對它的系統(tǒng)完整的認識，這一方面可能是由于對振動特性影響的因素很多，較難掌握其規(guī)律性；一方面由于對振動特性定量研究的方法和手段不完善。
作者建立的振動特性測試系統(tǒng)[1]，為實驗研究步進電動機系統(tǒng)的振動特性提供了手段，進而建立了步進電動機系統(tǒng)振動特性的仿真模型和方法[2]，解決了對振動特性的定量分析和計算，本文用實驗和仿真的方法系統(tǒng)地分析和介紹不同的參數(shù)對振動特性的影響，有利于對振動特性進一步了解和掌握，對設計、制造和應用系統(tǒng)的工作者都是必要的。
為使所研究的結果有現(xiàn)實意義和代表性，本文的研究結合實際的系統(tǒng)進行，實際系統(tǒng)由應用最為廣泛的二相混合式步進電動機和近代電流型驅動器組成。
2振動特性的一般說明
振動特性用步進電動機轉子角速度波動的振幅與控制脈沖頻率的關系表示，是衡量電動機運行平穩(wěn)性的重要特性，振動特性的特點是在不同的頻域會出現(xiàn)一些峰值點和振幅增大的區(qū)間，前者是某一諧波轉矩的頻率與固有頻率相一致的諧振點；后者則屬于零阻尼或負阻尼狀態(tài)的不穩(wěn)定區(qū)。
圖1表示實測的典型的振動特性，被測步進電動機是一臺86bh250b型二相混合式步進電動機，基本技術數(shù)據(jù)為：相繞組電阻r=1.2ω，電感l(wèi)=10. 0mh，轉子轉動慣量j=2.4×10-4kg．，旋轉電勢系數(shù)ke=0. 028 6v/(rad/s)，阻尼系數(shù)p=l.4×10-4nm/(rad/s)，額定相電流1= 3a;保持轉矩tk≥5nm，定位轉矩to=0.15nm，轉子齒數(shù)z= 50，配套的電流控制型驅動器通電狀態(tài)數(shù)可以為m=1、4、8、10或20，功放級電壓實驗時為30v。
2.1頻域的劃分
步進電動機有自己的固有頻率或自然頻率，工程上用下式估算：
將被試電機的數(shù)據(jù)代人為：
習慣上把fcp=fo附近及以下的頻域稱為低頻段；高頻段的劃定不是根據(jù)頻率的絕對值，通常以fcp=mifo附近及以上的頻域稱為高頻段，以上二個頻域之間稱為中頻段。
以圖la的特性為例，fo≈160脈沖／s，m1=20，大體上的劃分可認為，200脈沖／s以下為低頻段，3 000脈沖／s以上為高頻段，200～3 000脈沖／s之間稱為中頻段。圖la的特性按頻段劃分可以看出，在低頻段fcp=160脈沖／s處有一峰值，這就是通常所說的低頻諧振點；中頻段在fcp=400脈沖／s和800脈沖處有諧振點，且fy=5fo處的振幅較高，比較突出；高頻段在fe=3 200脈沖／s附近有一振蕩區(qū)，在fp>3 600脈沖／s處有較明顯的不穩(wěn)定區(qū)。
2.2基本電磁周期
步進電機是在不同頻率輸入脈沖的控制下，按一定的邏輯狀態(tài)循環(huán)通電而運轉的，因此存在著二種基本電磁周期，其一是拉制脈沖頻率fcp的倒數(shù)，即控制脈沖周期：
另一是以通電邏輯循環(huán)為周期的電磁系統(tǒng)基波周期，如果電動機的邏輯通電狀態(tài)數(shù)為m1，則有：
電機繞組電壓、電流的基波頻率為：
相應地對圖la振動特性上的諧振點有二種提法，例如fcp=160脈沖／s處的諧振點，對于控制脈沖周期的激擾，是它的基波頻率與固有頻率相一致；對于基本電磁周期，則是它的m1=20次諧波頻率與固有頻率相一致，同樣，fcp= 800脈沖／s處的諧振點，對于控制脈沖周期是吉次的次諧波振蕩，而對于基本電磁周期則是4次諧波的振蕩，兩種出發(fā)點都可以，哪一種能較直觀地闡明振蕩的機理就從哪一種角度去提出。
3通電狀態(tài)數(shù)的影響
步進電動機是在不同頻率的輸入脈沖控 一臺電動機，除了通電狀態(tài)數(shù)不同以外，其他驅動條件也都在一樣情況下測出。圖lb是整步運行、步距角最大、分辨率最低的情況，表現(xiàn)出較嚴重的低頻諧振現(xiàn)象，在fcp=fo(160脈沖／s)處有較突出的諧振點，在fep處也有明顯的諧振點。圖1a為20狀態(tài)運行，提高了分辨率，低頻段的諧振現(xiàn)象不明顯。仍有一諧振點，但角速度振動的峰值不大，不到整步時的百分之40，處已感覺不出諧振點，且提高分辨率以后同樣fo對應的角速度按比例地降低了。
圖1b的曲線表明，在600～1 500脈沖／s之間有明顯的不穩(wěn)定區(qū)，圖1a的特性，通電狀態(tài)數(shù)增加后，高頻段相應地改為l≥3 000脈沖／s處，可看出不穩(wěn)定現(xiàn)象仍然存在，只是角速度波動的幅值稍低一些，在中頻段fcp=400脈沖／s和800脈沖／s處有新的諧振點，這是微步驅動時各微步之間轉矩不均勻產生的新的激擾所引起的諧振，可通過對參考電流波形專門的研究克服。
為了校核振動特性的仿真模型和方法，對圖1的特性進行仿真，所得結果如圖2所示，與圖lb的曲線相比較可看出，低頻段的曲線基本一致，諧振點對應的頻率和峰值基本相符l高頻不穩(wěn)定區(qū)的頻域及角速度振蕩的幅值也大體相符，與圖1a昀曲線相比較可看出，低頻諧振點及峰值相一致，高頻不穩(wěn)定區(qū)的頻域相一致，角速度振蕩的振幅有些偏高}中頻諧振點的位置相一致，fep=800脈沖／s處的峰值稍偏低一些，fcp=400脈沖／s處的峰值偏差較大，這是由于轉矩合成時非線性影響未加精確考慮引起的，有待進一步完善，總的來看，仿真結果能基本正確反映振動特性的主要特征，用它研究不同參數(shù)對振動特性的影響，主要看振動特性的相對變化。
4功放級電壓的影響
圖3示功放級電壓值不同時的一條振動特性，與圖2a相比較，可看出功放級電壓對振動特性有明顯的影響。功放電壓增高時最明顯的影響是高頻不穩(wěn)定區(qū)向更高的頻域移動；功放電壓改變時，低頻段的振動特性基本不變；中頻諧振點位置不變，峰值有所增加。
采取措施對中頻振蕩加以抑制條件下，用提高功放電壓的辦法移開高頻不穩(wěn)定區(qū)，不失為提高運行平穩(wěn)性的一種方便的方法。
5結論
(1)采用微步驅動技術提高分辨率，對改善低頻運行的平穩(wěn)性有顯著的效果。
(2)微步驅動對高頻不穩(wěn)定性有一定的影響，但不能消除，還需要采取其他措施消除。
(3)微步運行時會引起中頻段新的諧振點，需要作專門的研究解決。
(4)提高功放電壓能使高頻不穩(wěn)定區(qū)向更高的頻域移動，有利于提高一定頻域范圍內運行的平穩(wěn)性。