胡家华 刘端增 （哈尔滨机电专科学校150076）
1引言
步进电机的矩频特性是反映步进电动机动态特性的。当
步进电机作单步运行时，其****允许负载为Tq：
式中Tjmax——****静态转矩
θbc——步距角
用电弧度表示步距角时，θbc=2π/N。则****允许负载可表示为：
随着输入脉冲频率逐步增加，电机转速逐步增高时，就可以看到
步进电机所能带的负载转矩值将逐步下降。这就是电机转动时所发出的转矩是随着脉冲频率的升高而减少。电机转动时产生的转矩为动态转矩，动态转矩与电源脉冲频率的关系称为步进电动机运行时的转矩一频率特性，简称运行矩频特性，如图1所示，它是一条下降的曲线。
电机的矩频特性包括牵入矩频特性和牵出矩频特性。牵入矩频特性指的是步进电动机在恒定频率脉冲串驱动下电机拉入同步时，步进电动机的****恒定负载转矩与频率之间的关系。测量时，先给步进电动机施加一恒定的负载转矩，然后用一串恒定频率的脉冲驱动电机，如果电机能和驱动脉冲同步运行而没有丢失脉冲，那此频率脉冲能将该负载拉入同步，经过若干坎这样的试验以后，可找到能够拉入同步的****负载转矩，此转矩即为该驱动脉冲频率下的牵入转矩。改变驱动脉冲的频率，重复以上的步骤又可以得到另一牵入转矩。这样多次改变驱动脉冲的频率，就可以得到牵入转矩与频率之间的关系，即起动矩频特性，如图2所示。牵出矩频特性指的是步进电动机在恒速运行时不丢步，与驱动脉冲同步所发生的****转矩与驱动脉冲频率之间的关系。测量时，先使步进电动机平稳运行在给定脉冲频率上，然后逐渐增加负载转矩，在电机刚要失去同步时，可测出此时电机的****负载转矩，这个转矩即为该驱动脉冲频率下的牵出转矩。改变驱动脉冲的频率，重复上述步骤，可以测得牵出转矩与驱动脉冲频率之间的关系，即牵出矩频特性。
2测量系统的硬件结构
测量系统的硬件结构框图如图3所示。
整个系统分为三大部分。8098单片微机部分，
步进电机驱动和直流电动机控制部分，转矩检测和转角测量部分。微机部分主要由显示电路、键盘电路、存贮器电路和打印机等组成。用来显示运行状况和测量结果、打印报告单、键入有关常数以及系统控制等。步进电动机的驱动电路如图4所示。在软件的控制下，由8098单片机的高速输出通道HSO.0、HSO.1、HSO.2输出脉冲，并通过光电耦合器TIL113控制大功率管3DG28的导通与截止，实现步进电动机绕组的通电与断电，达到步进目的。光电隔离的作用是将计算机部分和大功率部分隔离开，以防止强信号窜入计算机部分，造成不应有的故障。
直流电动机的控制是由8098单片机的高速输出通道HSO.3和HSO．4经光电隔离和小功率直流继电器与直流电动机的电枢绕组和激磁绕组接，控制电枢和调节激磁电流，用以保证步进电动机负载的调节和通断。
转矩的测量是通过ZJ型转矩传感器实现的。ZJ传感器的原理图如图5所示。中间为一弹性轴1，其两端安装有两个相同齿数的齿轮2，每个齿轮的外侧各安装一块磁钢4，磁钢上备绕有信号线圈3。当转轴旋转时，由于磁钢与齿轮间的气隙磁导随着齿槽位置的变化而发生周期性的变化，使穿过信号线圈的磁通万也发生周期性的变化，于是在信号线圈中分别感应出电势，在外加转矩时，弹性轴的一端相对另一端产生偏转角笳，A与外加转矩成正比。在两个信号线圈中感应电势的相位差角也随转矩的变化而发生相应的变化。两个线圈中的感应电势为U1、U2：
将上述两信号通过放大整形电路后，送到8098单片机的ACH4和ACH5口，ACH4和ACH5口是8098单片机的高速输入阻抗口，也是A/D转换器的模拟量输入口。8098单片机内部有一个4路10位A/D转换器，故此系统无须外接A/D转换器。转矩的大小通过对U1、U2信号的检测，由内部运算程序计算后送显示电路显示。
光栅编码器是用来检测
步进电机的偏转角，即步距角，也可以达到检查
步进电机在脉冲串的作用下是否有丢步现象。编码器的输出信号直接送入8098单片机的ACH6和ACH7口，ACH6和ACH7也是8098的高速输入阻抗口，可直接作为数字量的输入口。这样在系统软件的支持下，可测量步进电动机的步距角和检查失步现象。
3系统软件
系统软件的主框图如图6所示。系统程序分为主程序和子程序两大部分。主程序主要完成显示、打印和键盘管理，以及各子程序的调用。脉冲频率的给定及有关计算用常数，由键盘键入。子程序包括直流电动机控制子程序、步进电动机驱动子程序、转矩转角测量子程序以及有关计算子程序等。各程序之间以模块的形式结合，可互相调用。它的计算速度和检测速度很快，其晶振工作频率可达12MHz，因此便于转矩和转角的检测。
4结语
用8098单片机实现
步进电机矩频特性的测量，具有测量速度快、操作方便、测量准确性较高的特点。测量结果的显示和打印都比较直观。
