步进电机在计量检定中的应用——高精度标准转速装置研制

    该文以高精度标准转速装置研制为切入点，介绍步进电机在计量检定中的应用，并着重论述步进电机的选用过程及驱动电路的设计，使其实现高速运转的问题。

    0　引言

    高精度标准转速装置是国家技术监督局在 20世纪 80 年代下达的科研任务，目的是解决当时计量部门没有检定电子计数式转速表（0.05 级以上）的标准装置的问题。经过大量的试验，研制取得了成功。本装置长期用于检定各种转速表，至今仍具先进性。电机的正确选用是该项目成功点之一。

    1　电机选用

    标准转速装置顾名思义就是给出准确转速的装置，那么输出标准转速必须具备驱动源，即电动机。当时国内最高精度的标准转速装置是由直流电动机作驱动源的，精度为 0.1%。若要提高它的输出精度，可以通过增加测量反馈系统实现，但系统复杂，而且按当时的工艺条件还不一定能达到要求。通过对各种控制电机进行测试及分析比较后，认为反应式步进电机可以考虑作为高精度标准转速装置的驱动源。首先，因为步进电机是脉冲电机（图1），可以在脉冲电信号的控制下正确地一步一步转动，只要输入准确度高的脉冲信号，电机就能输出高精度的转速，不需要闭环反馈控制。

    因此只要做一个高稳定度的信号源，就可以实现电机输出轴的高稳定度，这只是选用步进电机可行性的一个方面。另外，由于步进电机的数控原理，使用计算机对其进行控制，既简化了硬件线路，又可以很容易地实现自动化控制和功能智能化。

    电机的类型确定了，如何选择步进电机是必须考虑的问题。常用的步进电机有三相、四相、五相等。步进电机每相都有自己的通电方式和功放电路，如图 2 所示。

    很明显，相数越少，总体驱动电路就相对简单；但相数越多，总功率就越大，高速运转性能就越好。通过对三相和五相电机做通电试验证实，五相电机基本满足（30~40000）r / min 的需要。用五相步进电机及驱动电源做实验，发现电机在高速运转时负载能力还不够，电机发热很厉害，有时突然产生振荡而停机。研究中发现，高速性能与驱动电源对电机的驱动方式有关。

    2　电机驱动方式选择

    2.1　不同驱动方式下电机的转矩分析。

    下文是五相步进电机分别在单相、二相、三相通电时的矩角特征（图3）和转矩向量图（图 4）：    图中，T_A、T_B、…为步进电机单相通电时的静态转矩，T_AB、T_BC、…为二相同时通电时静态转矩，T_ABC、T_BCD、…为三相同时通电时的静态转矩。从图中可以看出，不同驱动方式下工作的电机转矩不同。其中单相通电时静态转矩最小，因此首先否定了使用单相通电方式。而从图中也可看出二相和三相同时通电时两者的静态转矩最大值相等，进而再比较它们的动态转矩，即电机连续转动时产生的转矩。假设电机作单步运行时的最大允许负载转矩为 T_q，当控制脉冲频率逐步增加，转速逐步升高时，步进电机所能带动的最大负载转矩逐步下降。也就是说，电机连续转动时所产生的最大输出转矩 T 是随着脉冲频率 f 的升高而减少的，T 与 f 两者间的关系曲线称为步进电机运行的矩频特性。如图 5 所示，它是一条下降曲线，这是由于定子绕组中的电感产生的影响。