混合式步进驱动单元的高速运行性能
王宗培1，韩光鲜1，程 智2，任 雷2
(1．哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2．珠海运控电机有限公司，广东 珠海 519001)
摘要：讨论了混合式 步进电机的结构参数对高速运行性能的影响，包括转子铁心的单元数、绕组匝数及磁系统尺寸的优化等。步进驱动单元的高速运行性能可以用****牵出功率作指标，它主要取决于电动机的综合参数(K√L)，以及驱动器的电压和电流。 关键词：混合式步进电动机；结构参数；高速运行性能；****牵出功率
中图分类号：TM383.6 文献标识码{A 文章编号：1001-6848(2000)05-OD03-04
l 引 言
混合式步进电动机，从结构和原理上讲，它就是l台永磁感应子式低速同步电动机，它的转子齿数对应于极对数，一般相当多。例如典型的转子齿数Z=50，就是1台极对数P-Z，=50的同步电动机，定子绕组通以频率，一50Hz的交变电流时，同步运行的转子转速为：
作为步进电动机运行时，亩驱动器给电动机供电，它的功放部分实际上是1台逆变器，由控制脉冲的频率控制电动机绕组电流的频率，从而改变电动机的转速之间的关系如下：
对应的控制脉冲频率分别为0.4、4和8k脉冲／s。如果步距角改为θ=0.360，与同样的转速对应的为f。=1、10。可见对于步进电动机，虽然转速与控制脉冲频率成正比，但仅仅Jcp的还不能表明转速的离低，实际上它与步距角的乘积才表明转速的高低，如式(3)所示。
标准的混合式步进驱动单元，通常在每分钟几十到几百转的范围内运行，每分钟接近千转或以上应认为是高速运行的范围了。很多应用场合要求的转速不高，数控线切割机床工作台的控制就是一个实例，它要求步进电动机的转速仅2r/s输出的机械功率很小，通常很少提到它们的功率，只提到输出转矩的要求和启动频率等。
随着近代技术的发展，为了提高劳动生产率，很多数控装置要求步进电动机带载高速运行，例如包装机、印刷机、制袋机等。因此研究和开发高速运行性能好的混合式步进驱动单元成为当前重要的发展方向，备受制造者和用户的关注。
高速运行性能的主要指标或基本指标，可以用****牵出功率或****可用功率来表示。本文研究电动机和驱动器的基本参数对高速运行性能的影响，用实例说明高速运行性能的若干基本概念，有利于正确设计和选用步进驱动单元。
2 基本关系
混合式步进电动机，当前大都采用电流波形控制的驱动器供电，在一定频率范围内绕组电流波形与给定电流一致，保持基本不变的值，电动机的****输出转矩也能保持基本不变，****输出功率则随转速升高而增大。到一定的频率fk以后，电流失去控制，将随转速进一步升高而减小，相应地****输出转矩也下降，要求1台电动机高速性能提高归结为临界频率fk的增大，相应地****输出功率也上升。详细的分析和研究表明，这二项指标与电动机和驱动器的基本参数之间有如下关系[1]：
与fk相应的转子角速度：
****牵出功率：
****可用功率约为：
以上式子，主要是式(6)和(8)，清楚地表明，驱动单元的高速性能主要取决于驱动器的电压(V)和电流(IN)，以及电动机的旋转电压系数(K)、电感(L)和转子齿数(Z)。对于一种电动机，Z，是不变量，Ke和三是可以通过铁心和绕组的设计来改变，Vd。和JN也可以通过选用不同规格的驱动器来改变。
3转子铁心单元数的影响
混合式 步进电机的转子是分段结构，二段硅钢片迭成的铁心中间夹着一片轴向充磁的永磁体组成一个单元。在系列步进电动机中，同一机座号即相同冲片的电动机，转子铁心可以是1个、2个……或更多的单元构成，做成不同规格的电动机，它们的铁心长度成倍数增大，保持转矩也成倍数增长。如果定子绕组匝数不变，绕组的电感和旋转电压系数也按比例增大。表1列出的例子是珠海运控电机有限公司生产的86社机座二相混合式步进电动机的部分产品。它们的外形尺寸如图1所示。 表1表明，同一机座号长的电机与短的电机相比，保持转矩可以成倍增长，但它佃的K。／L的比值基本不变，在驱动器功放级电压不变的情况下，****牵出功率和****可用功率级便基本相同。小的电机转矩小一些但转速可以高，大的电动机转矩大但转速偏低，所以****可用功率相同也不奇怪。
图2是86BH250B (3)和86BH250c,(3)样机实测的牵出特性，fe。-f．处是二级牵出特性的交点。在fe。>fi的频域内，小电动机的牵出功率和牵出转矩更大一些。可见，当用户在发现步进驱动单元带载能力稍感不足时，简单地认为改用1台保持转矩大的电动机就能解决问题的认识是片面的。这要看在哪个频域的带载能力不足，如果是较低频段转矩不够，那很好办，将86BH250B(3)改为86BH250c(3)，牵出转矩有相当大的提高，情况就会改善，但如果是高频段，fcp>f处转矩不足，那就不一样了，改成为86BH250C (3)情况会更差，因为在该频段86BH250C(3)的牵出转矩和功率比86BH250B(3)还要小一些。
4 线圈匝数的影响
混合式步进电动机要产生一定的转矩，每极上的线圈需要有足够的安匝数。这是电流和匝数的乘积，可以电流小一些匝数多一些，也可以电流大一些匝数少一些，而安匝数不变，电动机的保持转矩也不变。电动机的旋转感应电压与绕组匝数(Ⅳ)成正比，绕组电感与绕组匝数的平方成正比，于是得到比值与匝数的关系：
即譬的值与线圈匝数成反比，可见电动机的牵出功率在V不变的条件下也与匝数成反比。匝数减少，****牵出或输出功率增加。以86BH250B型电动机为例，绕组匝数改变时基本参数变化的情况如表2所示。
表2参数清楚地表明，同一台电动机的保持转矩不能改变，****输出功率却可以通过减少匝数加大电流来增大，这从电动机的角度可以理解为主要是因为绕组电感减小，使得可控频段拓宽转速增高的缘故。从驱动器的角度看，实际上减少匝数要求提供更大的给定电流，在功放级电压不变的条件下，增大了可提供的功率，这就是减少匝数提高驱动单元可用功率的前提条件，提高电动机的****输出功率，要求功率驱动器的容量增大，在功放级电压不变的条件下增大电流，这是很自然的，因为对电动机来说没有更大的输入功率提供，怎么可能会增大输出功率。
5 电动机磁系统优化设计的影响
磁系统的优化设计是混合式步进电动机设计的根本问题，涉及整个磁系统所有几何尺寸的优化，还有导磁材料和永磁材料选用等问题[2]，很是复杂，不属于本文讨论的范围。这里只想从高速运行性能的角度，对优化的目标提出一些见解。
前面的讨论已经得出，增加转子铁心单元数****输出功率基本不变的关系，主要是因为比值K。／L同时按比例增大或减小的缘故。如果改进一个铁心单元电动机的设计，能使得Ke增大而L不变，或者K。增太比L快一些，即只要使K。／L增大，就可以使****输出功率增加。根据这样的思路，对电动机的磁系统作修改设计，制造了改进的86BH250口-1系列步进电动机，其基本参数如表3所示。新电动机的K。／L比值与原86BH250口相比有所增加，如图3所示。
图4示出86BH250C-1(3)的实测牵出特性，可以看出牵出功率比86BH250C(3)增加了。
图4中还给出86BH250C-1(8)的牵出特性，****牵出功率达620W，****可用功率约为440W，作为86#机座的混合式步进电动机，堪称是输出功率的冠军了。
6 结 论
(1)提高步进驱动单元的高速运行性能，就是要增加其高速带载能力，所以用最犬牵出功率或****可用功率来作为高速运行性能的指标是合适的。
(2)对驱动单元****牵出功率起主要影响的基本参数包括驱动器的电压(Vd。)、电流(/N)、电动机的转子齿数(Z，)、旋转电压系数(K。)和绕组电感(L)。
(3)混合式步进电动机铁心单元数增加，电动机加长时，保持转矩可以成倍数增大，****牵出功率却不变。
(4)电动机绕组匝数减少时，绕组电流及驱动器的电流相应增大，电动机的保持转矩不变，****牵出功率却增大了。
(5)磁系统的优化，以(K。／L)比值****为目标，有可能获得****牵出功率的增大，即高速运行性能的提高。
(6)86BH250C-1(8)与MC - 21812配套的驱动单元，达到了很高的高速运行性能指标。
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