步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)資料doc

1、1 緒 論 1.1 引言 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般以開環(huán)運(yùn)行方式工作在伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中,它以脈沖信號(hào)進(jìn)行控制,將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或線位移步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換,是自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件由于其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制容易并且無累積誤差,因而在 20世紀(jì)70 年代盛行一時(shí)80 年代之后,隨著高性能永磁材料的發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展,矢量控制技術(shù)等一些先進(jìn)的控制方法得以實(shí)現(xiàn),使得永磁同步電機(jī)性能有了質(zhì)的飛躍,在高性能的伺服系統(tǒng)中逐漸處于統(tǒng)治地位相應(yīng)的,步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)越來越明顯,比如,其定位精度有限低頻運(yùn)行時(shí)振蕩存在失步等,因而只能運(yùn)用在對(duì)速度和精度要求不高,且

2、對(duì)成本敏感的領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶來挑戰(zhàn)的同時(shí),也帶來了新的發(fā)展遇由于電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是 70 年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)實(shí)踐證明,步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角,提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性,增加控制的靈活性等由于電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展,德國(guó)百格拉公司于 1973 年發(fā)明了五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),又于 1993 年開發(fā)了三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以將交流伺服控制方法引入到混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中,使其可以以任意步距角運(yùn)行,并且可以顯著削弱步進(jìn)電機(jī)的一些缺點(diǎn)若引入

3、位置反饋,則混合式步進(jìn)電機(jī)控題正是借鑒了永磁交流伺服系統(tǒng)的控制方法,研制了基于DSP的三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展概況按勵(lì)磁方式分類,可以將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為永磁式(PM) 反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)三類,混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)和原理上綜合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn),因此混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有諸多優(yōu)良的性能,本課題的研究對(duì)象正是混合式步進(jìn)電機(jī)20 世紀(jì) 60 年代后期,各種實(shí)用性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生,而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用在近 30 年間,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)迅速的發(fā)展并成熟起來從發(fā)展趨勢(shì)來講,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能與直流電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)以及同步電動(dòng)

4、機(jī)并列,從而成為電動(dòng)機(jī)的一種基本類型特別是混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)越的性能(功率密度高于同體積的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 50%)得到了較快的發(fā)展其中,60 年代德國(guó)百格拉公司申請(qǐng)了四相(兩相)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專利,70 年代中期,百格拉公司又申請(qǐng)了五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的專利,發(fā)展了性能更高的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)這個(gè)時(shí)期各個(gè)發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家建立了混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)此外,1993 年,也就是五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器專利到期之時(shí),百格拉公司又申請(qǐng)了三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專利步進(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)步距值不容易受各種干擾因素的影響它的速度主要取決于輸入脈沖的頻率,轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移取決于輸

5、入的脈沖總數(shù),相對(duì)來說,電壓大小電流數(shù)值和溫度的變化等因素不影響步距值;(2)無位置累積誤差步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步的實(shí)際步距值與理論值總有一定的誤差,走任意步數(shù)之后也總有一定誤差,但是因每轉(zhuǎn)一周的累計(jì)誤差為零,所以步距值的誤差是不累積的;(3)控制性能好改變通電順序,就可以方便的控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),起動(dòng)轉(zhuǎn)向制動(dòng)改變轉(zhuǎn)速及其他任何運(yùn)動(dòng)方式的改變都可以在少數(shù)脈沖內(nèi)通過改變電脈沖輸入就能控制,在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟失一步;(4)步進(jìn)電機(jī)還有自鎖能力,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)停止輸入,而讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)保持通電時(shí),則電動(dòng)機(jī)可以保持在最后一個(gè)脈沖控制的角位移的終點(diǎn)位置上,能夠?qū)崿F(xiàn)停車

6、時(shí)轉(zhuǎn)子定位因此,步進(jìn)電機(jī)在機(jī)械冶金電力紡織電信儀表辦公自動(dòng)化設(shè)備醫(yī)療印刷以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用例如機(jī)械行業(yè)中,在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用,可以算是典型的例子可以說步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的核心我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)行業(yè)起步較早,但大多都是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),直到目前,仍有許多國(guó)內(nèi)用戶使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是效率高力矩大運(yùn)行平穩(wěn)高頻運(yùn)行時(shí)矩頻特性好,在發(fā)達(dá)國(guó)家中,越來越廣泛的使用性能優(yōu)越的五相和三相混合式步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展也十分迅速我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用雖然起步較早,但其驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后,成為制約步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用與發(fā)展的主要因素國(guó)內(nèi)仍有不少用戶沿用己被國(guó)外淘汰的單電壓

7、串電阻等落后的驅(qū)動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)器電路中使用分立元件居多,可靠性差,且各廠家的驅(qū)動(dòng)技術(shù)規(guī)范技術(shù)等級(jí)生產(chǎn)工藝參差不齊目前發(fā)達(dá)國(guó)家的驅(qū)動(dòng)器已進(jìn)入恒相電流與細(xì)分技術(shù)相結(jié)合的階段,使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行振蕩很小高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩下降較小1-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步離不開電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過程表明,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展的需要推動(dòng)了交流調(diào)速系統(tǒng)的飛速發(fā)展;現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用,電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件電力電子器件及微處理器是高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)和現(xiàn)代電力電子設(shè)備的核心電力半導(dǎo)體器件以開關(guān)陣列的形式應(yīng)

8、用于電力變流器中,把相同頻率或者是不同頻率的電能進(jìn)行交-直(整流器)直-直(斬波器)直-交(逆變器)和交-交變換電力電子器件經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段:第一個(gè)階段是20 世紀(jì) 80 年代中期以前,是以門極不可關(guān)斷的晶閘管(Thyristor)為代表的半控型器件,這種在 20 世紀(jì) 50 年代晚期出現(xiàn)的器件使得固態(tài)電力電子器件進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元晶閘管主要用于直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器中,必須配以輔助換流措施才能實(shí)現(xiàn)可靠的換流,控制線路復(fù)雜效率低可靠性差,而且開關(guān)頻率低,使得變頻電源中含有大量的諧波分量,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大噪聲大及發(fā)熱嚴(yán)重第二個(gè)階段是 20 世紀(jì) 80 年代中期到 90 年代,是以門極可關(guān)斷晶閘管(GT

9、O)雙極型晶體管(BJT)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)等為代表的全控型器件如今 GTO 產(chǎn)品的額定電流電壓已超過 6kA6kV,在 10MViA 以上的特大型電力電子變換裝置中已有不少應(yīng)用,但其為電流驅(qū)動(dòng),故所需的驅(qū)動(dòng)功率較大;BJT已模塊化,在中小容量裝置中得到推廣,但其驅(qū)動(dòng)功率較大,開關(guān)速度慢,影響了逆變器的工作頻率和輸出波形;MOSFET 開關(guān)速度快,驅(qū)動(dòng)功率小,電壓型控制,但器件功率等級(jí)低,導(dǎo)通壓降大,限制了逆變器的容量第三個(gè)階段是 20 世紀(jì) 90 年代,是以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型功率器件,主要特點(diǎn)為門極電壓控制,故其所需驅(qū)動(dòng)功率較小IGBT 結(jié)合了MO

10、SFET和 BJT的優(yōu)點(diǎn),具有高開關(guān)頻率,門極電壓驅(qū)動(dòng),不存在二次擊穿問題,無需吸收電路,又具有 BJT大電流密度,低導(dǎo)通壓降的特性新一代的智能功率模塊(IPM)集功率器件 IGBT驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)電路和保護(hù)電路于一體,實(shí)現(xiàn)過流短路過熱欠壓保護(hù),模塊包含三相橋逆變器,從而使裝置體積縮小,可靠性提高20 世紀(jì) 90 年代末至今,電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了第四代,這里只介紹一下電力半導(dǎo)體家族中的最新成員集成門極換向晶閘管(Integrated gate-commutated thyristor),它是ABB公司于1997年發(fā)明的,它基本上是一種高壓大功率非對(duì)稱截止 GTO 晶閘管,其關(guān)斷電流增益為1,可

11、見其驅(qū)動(dòng)功率之小該器件的導(dǎo)通壓降開通di/dt門極驅(qū)動(dòng)損耗少數(shù)載流子存儲(chǔ)時(shí)間和關(guān)斷dv/dt據(jù)稱都優(yōu)于GTO晶閘管器件更快的開關(guān)速度使得無緩沖器運(yùn)行成為可能,也使其開關(guān)頻率高于GTO晶閘管多個(gè) IGCT 可以串聯(lián)或并聯(lián)成更高功率的應(yīng)用該器件已經(jīng)用于電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(100MViA)和中等功率(高達(dá)5MW)工業(yè)傳動(dòng)中4-6全數(shù)字化是交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)交流調(diào)速系統(tǒng)最初多為模擬電子電路組成,由于模擬電路固有的弊端,決定了很多控制算法很難在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)近幾十年來,由于微機(jī)控制技術(shù),特別是以單片機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為控制核心的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,許多復(fù)雜的控制算法得以實(shí)現(xiàn),如

12、矢量控制中的復(fù)雜坐標(biāo)變換解耦控制滑模變結(jié)構(gòu)控制參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制等,這些是模擬電路無法做到的,可以毫不夸張的說以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一常用于交流調(diào)速系統(tǒng)的微處理器簡(jiǎn)介如下(1). 單片機(jī)一片單片機(jī)芯片就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī),其上集成有用戶需要的一些外設(shè),如定時(shí)/計(jì)數(shù)器D/AA/D等,這樣就大大縮小了控制器的體積,降低了成本,提高了可靠性然而單片機(jī)對(duì)大量數(shù)據(jù)的處理能力有限,因此只用于一些對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合(2). 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為了提高運(yùn)算速度,在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器,其上一般集成有硬件乘法器時(shí)鐘頻率很高,一些高性能的DSP 還支持

13、浮點(diǎn)運(yùn)算世界各大 DSP生產(chǎn)商還推出了集成有PWM 生成硬件A/D正交編碼電路等專門針對(duì)于電機(jī)控制的DSP 芯片,常見的如 TI 公司的 C2000系列電機(jī)控制專用的 DSP芯片使控制系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)化,性能和可靠性得到了空前的提高(3). 高級(jí)專用集成電路(ASIC)ASIC也稱為適合特定用途的 IC,是能完成特定功能的專用芯片 例如用于交流變壓變頻用的SPWM波發(fā)生器HEF4752 (英國(guó)Mullard公司產(chǎn)品,適用于開關(guān)頻率 1kH 以下 )SLE4520(德國(guó)西門子公司產(chǎn)品,適用于開關(guān)頻率 20kH以下)現(xiàn)代高級(jí)專用集成電路的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)發(fā)生器,往往能夠包括一種特定的控制系統(tǒng),例如,德國(guó)

14、應(yīng)用微電子研究所(IAM)1994 年推出的VECON,是一個(gè)交流伺服系統(tǒng)的單片矢量控制器,包括控制器,能完成矢量運(yùn)算的 DSP 協(xié)處理器PWM 定時(shí)器,以及其他外圍和接口電路,都集成在一片芯片之內(nèi),使可靠性大幅度提高2 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理及其驅(qū)動(dòng)控制 三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比,具有很多優(yōu)點(diǎn),獲得了越來越廣泛的應(yīng)用電流閉環(huán)三相正弦電流驅(qū)動(dòng)是三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式 2.1 三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 2.1.1 三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)它既有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高分辨率,每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點(diǎn),又有永磁

15、式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的高效率,繞組電感比較小的特點(diǎn),故稱混合式圖2-1 給出了三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及其定子結(jié)構(gòu)圖從結(jié)構(gòu)上看,它的定子通常有多相繞組,定轉(zhuǎn)子上開有很多齒槽,類似反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng),這與永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似圖2-1三相混合式步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及定子示意圖Fig.2-1Three-phase hybrid stepping motor and the stator internal schematic diagram混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一般由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成,環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子的中部,軸向充磁,兩段鐵心分別裝在磁鋼的兩端,轉(zhuǎn)子的鐵心外圓周有均勻分布

16、的小齒,兩段鐵心上面的小齒沿圓周相互錯(cuò)開半個(gè)齒距定轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同一段轉(zhuǎn)子的磁力線沿轉(zhuǎn)子表而呈放射形進(jìn)入定子鐵心,稱為 N極轉(zhuǎn)子,另一段轉(zhuǎn)子的磁力線是從定子沿定子表面穿過氣隙回歸到轉(zhuǎn)子中去的,稱為 S極轉(zhuǎn)子可見,通過轉(zhuǎn)子分段錯(cuò)齒和轉(zhuǎn)子軸向永磁勵(lì)磁,三相混合式步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上巧妙的實(shí)現(xiàn)了多極對(duì)數(shù)永磁凸極同步電機(jī)的思想,從原理上講是低速凸極永磁同步電機(jī)可見,混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)既可以用作同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制,又可以用作步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行位置開環(huán)控制7-92.1.2 三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 圖 2-2 給出了一臺(tái)簡(jiǎn)單的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的橫截面示意圖圖中三相混合式步圖2-2三相混合式步進(jìn)電

17、動(dòng)機(jī)示意圖Fig.2-2Three-phase hybrid stepping motor diagram進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子為三相六極,三相繞組分別繞在相對(duì)的兩個(gè)磁極上,且這兩個(gè)磁極的極性是相同的它的每段轉(zhuǎn)子鐵心上有八個(gè)小齒,兩段鐵心上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距從電動(dòng)機(jī)的某一端看,當(dāng)定子的一個(gè)磁極與轉(zhuǎn)子齒的軸線重合時(shí),相鄰磁極與轉(zhuǎn)子齒的軸線就錯(cuò)開1/3齒距混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁動(dòng)勢(shì)由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì) Fr 和定子繞組電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì) Fs 組成在電機(jī)運(yùn)行過程中,隨著繞組中通入的電流方向的變化,這兩種磁動(dòng)勢(shì)有時(shí)是相加的,有時(shí)又是相減的,轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與定子磁勢(shì)相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)A相繞組通電時(shí),

18、轉(zhuǎn)子處于圖 2-2 中所示的穩(wěn)定平衡位置,此時(shí)與N 段轉(zhuǎn)子鐵心相對(duì)的定子 A 相極下氣隙磁導(dǎo)最大,與 S 段轉(zhuǎn)子鐵心相對(duì)的定子 A 相極下氣隙磁導(dǎo)最小當(dāng)外加力矩使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置時(shí),例如轉(zhuǎn)子向順時(shí)針方向轉(zhuǎn)了一個(gè)小角度 ,則定子與兩段轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置及作用轉(zhuǎn)矩的方向如圖 2-3 所示可以看到,兩段轉(zhuǎn)子鐵心所受到的電磁轉(zhuǎn)矩方向相同,都是使轉(zhuǎn)子回到穩(wěn)定平衡位置的方向繞組的通電狀態(tài)改變,電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定平衡位置也改變,在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到新的平衡位置上面說的是單相通電時(shí)的情況,但是為了增加電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,提高電機(jī)繞組利用率,在三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中,一般采用三相同時(shí)通電的控制方式圖2-

19、4給出了三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相同時(shí)通電時(shí)繞組電流狀態(tài)示意圖, 圖 2-4a 到圖2-4f中的轉(zhuǎn)子位置分別與圖2-4g中t1至t6時(shí)刻的繞組通電狀態(tài)相對(duì)應(yīng)每相繞組的電流在每個(gè)周期內(nèi)共上面說的是單相通電時(shí)的情況,但是為了增加電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,提高電機(jī)繞組利用率,在三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中,一般采用三相同時(shí)通電的控制方式圖2-4給出了三相圖2-3 A相繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的受力圖Fig.2-3A rotor winding energized by trying to deviate from the equilibrium position混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相同時(shí)通電時(shí)繞組電流狀態(tài)示意圖

20、, 圖 2-4a 到圖2-4f中的轉(zhuǎn)子位置分別與圖2-4g中t1至t6時(shí)刻的繞組通電狀態(tài)相對(duì)應(yīng)每相繞組的電流在每個(gè)周期內(nèi)共有三個(gè)狀態(tài),電流變化一個(gè)周期,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周此時(shí)電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù) S可由式(2-1)得到 S=k*m*Z (2-1)式中,k 為電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)電流狀態(tài)變化的次數(shù);m 為電機(jī)的相數(shù);Z 為電機(jī)齒數(shù)對(duì)于三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),設(shè)轉(zhuǎn)子有 50 個(gè)齒,根據(jù)式(2-1)和圖 2-4 可以計(jì)算出此時(shí)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)S為:S=4*3*50=600 (2-2)若電機(jī)每轉(zhuǎn)一周,相電流只有兩個(gè)狀態(tài),即電機(jī)繞組只有正負(fù)通電狀態(tài),無零電流狀態(tài),根據(jù)式(2-1),可得電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)為 300可見,通過增加繞組通電狀

21、態(tài)數(shù)可以使混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角減小,增加走步精度,對(duì)于減小混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的振動(dòng)有很大的作用其實(shí),這個(gè)例子也暗含了混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制的基本原理,細(xì)分控制是目前最有效的減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的方法,后面將會(huì)給出詳細(xì)的介紹2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中要注意的問題 當(dāng)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行元件時(shí),一定要了解步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù),特別是其矩頻特性步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降,選型時(shí)一定要參考矩頻特性曲線圖,圖2-4三相同時(shí)通電半步運(yùn)行時(shí)繞組電流示意圖Fig.2-4Three-phase power half a step while running winding current

22、diagram根據(jù)設(shè)備運(yùn)動(dòng)速度和加速度,計(jì)算好所需工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用主要考慮以下幾個(gè)指標(biāo):1-3(1).步距角:每給定一個(gè)電脈沖信號(hào),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)該轉(zhuǎn)過角度的理論值,步距角越小,分辨率越高其計(jì)算公式如下:= (2-3)式中,Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù),N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距的運(yùn)行拍數(shù) (2).步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所加的控制脈沖頻率為f,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為: n= (2-4)可見步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低,取決于輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖頻率的高低步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不失步不丟步的前提下,其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角與電壓負(fù)載溫度等因素?zé)o關(guān),因而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可直接采用開環(huán)控制,簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)(3).最大空載起動(dòng)頻率電

23、機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式電壓及額定電流下,在不加負(fù)載的情況下,能夠直接起動(dòng)的最大頻率,起動(dòng)頻率越高,則電機(jī)快速響應(yīng)性能越好圖2-5 90BYG350C型電機(jī)的矩頻特性圖Fig.2-5 90BYG350C type motor moment frequency response plots(4).矩頻特性電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與控制脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性,這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一,是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的,也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)圖 2-5為本課題所用的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(型號(hào)為 90BYG350C)的矩頻特性圖由圖可以看到,該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為 6Nm,隨著轉(zhuǎn)速的

24、升高,其轉(zhuǎn)矩不斷減小,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 1200r/min 時(shí),轉(zhuǎn)矩已不到 1.6Nm所以選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)一定要參考其矩頻特性圖,不能只看保持轉(zhuǎn)矩或最大靜轉(zhuǎn)矩,要根據(jù)電機(jī)運(yùn)行工況,考慮一定的裕量 (5).步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的共振點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域,二四相混合式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在 180Hz 到250Hz 之間(步距角 1.8 度)或在400Hz 左右(步距角為 0.9 度),電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高電機(jī)電流越大負(fù)載越輕電機(jī)體積越小,則共振區(qū)向上偏移為使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大,避免失步和降低整個(gè)系統(tǒng)的噪音,一般要求工作點(diǎn)均偏離共振區(qū) 2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和失步 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)是其固有的缺點(diǎn),在上節(jié)所說的步

25、進(jìn)電動(dòng)機(jī)選擇標(biāo)準(zhǔn)中就提到,使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)一定要考慮電動(dòng)機(jī)的共振點(diǎn),這樣可以人為的讓步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域避開步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的共振點(diǎn),使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的更加平穩(wěn)噪聲小,避免失步下面介紹一下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的原因步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在步進(jìn)狀態(tài)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)是一衰減振蕩過程電動(dòng)機(jī)在低頻步進(jìn)運(yùn)行時(shí),定子繞組每改變一次通電狀態(tài),轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一個(gè)步距角由于轉(zhuǎn)子的自由振蕩,它將不能及時(shí)的停留在新的平衡位置而是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置每加一次脈沖,進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補(bǔ)充,這樣步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低頻步進(jìn)運(yùn)行時(shí),類似于一種強(qiáng)迫振蕩當(dāng)控制脈沖的頻率等于或接近于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩

26、頻率的 1/k 倍(k=1,2,3.)時(shí),電動(dòng)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象,嚴(yán)重的將導(dǎo)致失步或無法工作當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高頻脈沖下連續(xù)運(yùn)行時(shí),前一次的振蕩尚未達(dá)到第一次回?cái)[的最大值,下一個(gè)脈沖已經(jīng)到來當(dāng)頻率更高時(shí),甚至在前一步振蕩尚未達(dá)到第一次的峰值就開始下一步,則電機(jī)可以連續(xù)平滑地轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速也比較穩(wěn)定但是當(dāng)脈沖頻率過高,達(dá)到或超過最大連續(xù)運(yùn)行頻率 fmax時(shí),由于繞組電感的作用,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下降很多,負(fù)載能力較弱,且由于電機(jī)的損耗,如軸承摩擦風(fēng)摩擦等都大為增加,即使在空載下也不能正常運(yùn)行另外,當(dāng)脈沖頻率過高時(shí),矩角特性的移動(dòng)速度相當(dāng)快,轉(zhuǎn)子的慣性導(dǎo)致轉(zhuǎn)子跟不上矩角特性的移動(dòng),則轉(zhuǎn)子位置距平衡位置之差越來

27、越大,最后因超出動(dòng)穩(wěn)區(qū)而丟步10-15由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特殊的運(yùn)行機(jī)理,要完全消除其振蕩是不可能的,只有采取一定的措施,在一定程度上抑制其振蕩,防止發(fā)生失步目前,抑制步進(jìn)電機(jī)振蕩的方法主要有:(1)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式,適當(dāng)增加細(xì)分?jǐn)?shù);(2)增加阻尼;(3)采用位置或速度閉環(huán)控制其中第三條方法能從根本上解決步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩的問題,但此時(shí)控制系統(tǒng)較復(fù)雜,成本也高因此在實(shí)際應(yīng)用中一般采用第一條和第二條方法增加阻尼一般有兩種方法:增加機(jī)械阻尼和電氣阻尼機(jī)械阻尼是增加電機(jī)轉(zhuǎn)子的干摩擦阻力或粘性阻力其缺點(diǎn)是增大了慣性,使電機(jī)的速度性能變壞,體積增大電氣阻尼則有多相激磁阻尼延遲斷開阻尼等其實(shí),從原理上說,細(xì)分驅(qū)動(dòng)也

28、就是采用了增加電氣阻尼的技術(shù)對(duì)于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),由于其轉(zhuǎn)子中加入了永磁體,因而,混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的反電動(dòng)勢(shì),其自身阻尼作用比較好,使其在運(yùn)行過程中比較平穩(wěn)噪聲低低頻振動(dòng)小從這也可以看到混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能要優(yōu)于反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù) 2.4.1 傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 單電壓驅(qū)動(dòng):單電壓驅(qū)動(dòng)是指在步進(jìn)電機(jī)繞組上加上恒定的電壓,這種驅(qū)動(dòng)方式的電路相當(dāng)簡(jiǎn)單但是當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí),流經(jīng)繞組的電流還未上升到額定電流就被關(guān)斷,相應(yīng)的平均電流減少而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降為改善高速運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性,通常在連接電機(jī)繞組的線路中串聯(lián)一個(gè)無感電阻來減少電氣時(shí)間常數(shù),同時(shí)成比例的增加

29、電源電壓以保持額定電流不變 但是串入電阻將加大功耗, 降低功放電路的功率,必須具備相應(yīng)的散熱條件才能保證電路穩(wěn)定可靠的工作所以這種電路一般僅適合于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)或?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能要求不高的情況高低壓驅(qū)動(dòng):高低壓驅(qū)動(dòng)電路使用兩種電壓電源,即步進(jìn)電機(jī)額定電壓和比它高幾倍的電源電壓當(dāng)相繞組導(dǎo)通時(shí),加到繞組上的電壓為高電壓,上升電流具有較陡峭的前沿特性當(dāng)電流上升到額定值時(shí),關(guān)閉高壓電源,用額定電壓供電來維持繞組的電流由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)相間互感等因素的影響,易使電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形,致使電機(jī)的輸出力矩有所下降低頻時(shí)繞組電流有較大的上沖,所以低頻時(shí)電機(jī)振動(dòng)較大,低頻共振

30、現(xiàn)象仍然存在斬波恒流驅(qū)動(dòng):斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式的供電電壓比電機(jī)額定電壓高得多,使電流上升和衰減速度很快,通過斬波方式使電機(jī)繞組電流在低速到高速運(yùn)行范圍內(nèi)保持恒電流,從而保持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定但是此種方法線路復(fù)雜低速運(yùn)行時(shí)繞組電流沖擊大,使低頻產(chǎn)生振蕩,運(yùn)行不平穩(wěn),噪聲大定位精度不高調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng):隨著步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率的提高,同時(shí)提高功率放大電路的電源電壓,以補(bǔ)償因運(yùn)行頻率上升造成的輸出轉(zhuǎn)矩下降當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率降低時(shí),同時(shí)降低功率放大電路電源電壓因電壓隨頻率而變,故既可增加高頻輸出轉(zhuǎn)矩,又能避免低頻可能出現(xiàn)的振蕩從理論上講,調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)基本克服了單電壓驅(qū)動(dòng)高低壓驅(qū)動(dòng)斬波恒流驅(qū)動(dòng)等電路的不足,矩頻特性

31、較好,能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行但是仍然不能利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多種步距角控制,步距角的大小只有有限的幾種,步距角已由電機(jī)結(jié)構(gòu)所確定 2.4.2 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù) 以上幾種驅(qū)動(dòng)方式都有其弊端,實(shí)踐證明,恒轉(zhuǎn)矩等步距角的均勻細(xì)分方式是目前最好的細(xì)分控制方式步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電氣阻尼技術(shù),其主要目的是提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的高精度細(xì)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)首先由美國(guó)學(xué)者 T. R. Fredriksen于 1975 年在美國(guó)增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出, 在其后的二十多年里, 步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展,并在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用在減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)

32、行過程中的振動(dòng)起到了很好的效果如圖 2-6 所示,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是通過控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組中的電流,使其按一定的規(guī)律階梯上升或下降,即每次只改變繞組電流的一部分,從而獲得從零到最大相電流的多個(gè)穩(wěn)定的中間電流狀態(tài),相應(yīng)的定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量也就存在多個(gè)中間狀態(tài),圖2-6三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)各相電流狀態(tài)及轉(zhuǎn)矩矢量圖Fig.2-6Three-phase Hybrid Stepping Motor Driver with current state and when the torque vector轉(zhuǎn)動(dòng)合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了轉(zhuǎn)矩的大小,相鄰兩條合成磁場(chǎng)矢量的夾角決定了微步距角的大小

33、相電流變化一個(gè)周期,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距可見,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講,是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組中電流的控制最初的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制只是對(duì)電機(jī)的繞組電流加以簡(jiǎn)單的控制,如控制電流均勻上升下降等,這樣簡(jiǎn)單控制的結(jié)果將使細(xì)分之后的步距角很不均勻隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,如何通過改進(jìn)電動(dòng)機(jī)相電流的控制策略來增加細(xì)分的均勻性,提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性,減少運(yùn)動(dòng)噪音及振動(dòng)等越來越受到人們的重視,并得了很大進(jìn)展本文把交流伺服驅(qū)動(dòng)的思想應(yīng)用到三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩等步距角的均勻細(xì)分控制方式實(shí)踐證明,恒轉(zhuǎn)矩等步距角的均勻細(xì)分方式是目前最好的細(xì)分控制方式,能有效的抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)

34、行過程中的振動(dòng)噪聲等在下一節(jié)將給出詳細(xì)的理論分析和相應(yīng)的控制方案2.5 三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制方案 圖2-7混合式步進(jìn)電機(jī) d-q 軸的定義Fig.2-7Hybrid stepping motor the definition of d-q axis每個(gè)大極上面均勻的分布著一些小齒轉(zhuǎn)子一般由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成,環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子的中部,軸向充磁,兩段鐵心分別裝在磁鋼的兩端,轉(zhuǎn)子的鐵心外圓周有均勻分布的小齒,兩段鐵心上面的小齒沿圓周相互錯(cuò)開半個(gè)齒距定轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同可見,通過轉(zhuǎn)子分段錯(cuò)齒和轉(zhuǎn)子軸向永磁勵(lì)磁,三相混合式步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上巧妙的實(shí)現(xiàn)了多極對(duì)數(shù)永磁凸極同步電機(jī)的思想

35、,從原理上講是低速永磁凸極同步電機(jī)三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理與普通三相同步電動(dòng)機(jī)的工作原理相似,即由定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以磁拉力拖著永磁體構(gòu)成的轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn),定子和轉(zhuǎn)子間通過氣隙磁場(chǎng)耦合由于電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),電磁關(guān)系十分復(fù)雜,并且步進(jìn)電機(jī)本身又是一類高度非線性的電機(jī),是一個(gè)多變量非線性強(qiáng)耦合的系統(tǒng),為了簡(jiǎn)化分析,在建立三相混合式步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí),做如下假設(shè):29-35 (1)忽略鐵心飽和,不計(jì)剩磁影響不計(jì)磁滯損耗和渦流效應(yīng),認(rèn)為磁路是線性的; (2)氣隙磁通在空間按正弦分布,即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(反電動(dòng)勢(shì))是正弦的,定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁勢(shì),忽略磁場(chǎng)的高次諧波; (3)不

36、考慮溫度頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響按照以上條件分析實(shí)際電動(dòng)機(jī),所得結(jié)果和實(shí)際情況十分接近,可以使用上述假設(shè)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析和控制仿同步電機(jī),定義混合式步進(jìn)電機(jī)的 d 軸位于轉(zhuǎn)子齒中心線上,q 軸沿旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸 90 度電角度,如圖 2-7 所示建立如圖2-8 所示的 d-q 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,此坐標(biāo)系隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速r 旋轉(zhuǎn),在此 d-q 坐標(biāo)系上的三相混合式步進(jìn)電機(jī)的矢量也在圖上標(biāo)出圖中,為電機(jī)定子三相電流合成空間矢量is和永磁體勵(lì)磁磁極軸線(d 軸)之間的夾角,又稱轉(zhuǎn)矩角為 d 軸軸線與 A 相繞組軸線之間的夾角,可推導(dǎo)d-q坐標(biāo)系下電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下定子電壓方程:圖2-8三相

37、混合式步進(jìn)電機(jī)在 d-q 坐標(biāo)系上的矢量圖Fig.2-8Three-phase hybrid stepping motor in the dq coordinate system on the vector Ud=Rid+Pd-Weq (2-5) Uq=Riq+Pq+Wed定子磁鏈方程: d=Ldid+f (2-6) q=Lqiq由式(2-5)和式(2-6),可得: Ud=Rid+LdPid-weLqiq (2-7)Uq=Riq+LqPiq+we(Ldid+f)上述公式中uduqidiq dq分別為 dq軸上的定子電壓電流及磁鏈分量;R為定子繞組相電阻; Ld Lq 為 dq軸上的定子電感;e

38、為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度;f為永磁體對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鏈;p=d/dt為微分算子輸出的電磁轉(zhuǎn)矩為:Te=Z(diq-qid)=Zfid+(Ld-Lq)idiq (2-8)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為: Te=Tl+Bwr+Jpwr (2-9)上述公式中,Z為混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩,Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和所帶負(fù)載的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,B為粘滯摩擦系數(shù);r為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度,其與電角速度間的換算如下: we=Zwr (2-10)由d-q坐標(biāo)系下的矢量圖2-8可得: id=iscos (2-11) iq=issin結(jié)合式(2-8)可得電磁轉(zhuǎn)矩: Te=Zfissin+(Ld-Lq)is2s

39、in2 (2-12)式(2-12)括號(hào)中,第一項(xiàng)是由定子電流合成磁場(chǎng)與永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,稱為主電磁轉(zhuǎn)矩;第二項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩,它是由電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)引起的,并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比可以看出,混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的控制取決于對(duì)交軸電流iq和直軸電流d的控制當(dāng)id=0時(shí),由于f為常數(shù),只要控制iq 就可以線性的控制電磁轉(zhuǎn)矩仿同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制方式,即在混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程中,始終保持id=0,使定子電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)間的角度為90o,即保持正交,則定子電流矢量is與 q 軸重合,那么電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值is成正比,即只與交軸電流

40、 iq成正比,比例系數(shù)K=3/2*Zf,從而實(shí)現(xiàn)了交軸電流iq和直軸電流id的解耦,達(dá)到了矢量控制的目的此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式表示: Te=K*iq (2-13)由于電機(jī)定子綜合電流矢量始終與轉(zhuǎn)子的磁極軸線成90°,該方法又稱按勵(lì)磁軸線定向的矢量控制此時(shí)電機(jī)所有電流均用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,電流控制效率高,且減少了定子銅耗缺點(diǎn)是隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加,端電壓增加較快,功率因數(shù)下降,對(duì)逆變器容量要求提高為保證電流環(huán)動(dòng)態(tài)跟隨,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)矩升高,外加電壓應(yīng)提高可見,這種轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式比較適合于小容量交流伺服系統(tǒng)對(duì)于有明顯凸極效應(yīng)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),其Ld>Lq ,采用這種 id=0的控制

41、方式時(shí),并沒有利用凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩,沒有充分發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力這點(diǎn)是id=0的控制方式運(yùn)用于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的不足2.6 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理,建立了三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的理想數(shù)學(xué)模型,提出了相應(yīng)的控制方案3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)混合式步進(jìn)電機(jī)是一種系統(tǒng)電機(jī),電機(jī)本體與其控制器密不可分優(yōu)秀的電機(jī)運(yùn)行性能只有通過高性能的控制器和先進(jìn)的控制策略來實(shí)現(xiàn)采用智能功率模塊(IPM)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)可以使控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能可靠,可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制方法,提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能圖3-1三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.3-1Three-phase h

42、ybrid stepping motor control system block diagram3.1 系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示,控制電路以,TI 的DSP芯片TMS320LF2403A 為核心,包括電流檢測(cè)電路斷電記憶關(guān)鍵數(shù)據(jù)電路驅(qū)動(dòng)電路和控制信號(hào)接口電路構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字三相混合式步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其中的 X25040是帶有EEPROM的SPI芯片,用來當(dāng)系統(tǒng)非正常斷電時(shí),記錄系統(tǒng)關(guān)鍵的運(yùn)行參數(shù)圖3-2為控制部分與功率部分的接口框圖系統(tǒng)主回路部分采用交-直-交電壓源型逆變電路,主要由整流橋?yàn)V波電容及智能功率模塊(IPM)組成;采用采樣電阻檢測(cè)電機(jī)相電流;DSP輸出的 IP

43、M 控制信號(hào)經(jīng)電平匹配電路后直接送到 IPM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)端口,沒有采用隔離措施圖3-2控制部分與功率部分接口電路框圖Fig.3-2Control section and power part of the interface circuit diagram3.2 數(shù)字信號(hào)處理器簡(jiǎn)介本系統(tǒng)采用了美國(guó)德州儀器公司(TI)生產(chǎn)TMS320LF2403A數(shù)字信號(hào)處理器,它是 TI 公司推出的高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)的,特別適用于電機(jī)的高性能控制它具有DSP的信號(hào)高速處理能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體,且價(jià)格便宜,大大減小了控制系統(tǒng)的體積,提高了系統(tǒng)的性價(jià)比

44、TMS320LF2403A 采用增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu),四級(jí)流水線操作,在 40MHz內(nèi)部時(shí)鐘頻率下,指令周期僅為25ns并且內(nèi)部具有硬件乘法器,完成一條16位乘16 位的乘法指令只需一個(gè)指令周期其內(nèi)部具有鎖相環(huán)電路,使其外部只要提供10MHz的時(shí)鐘信號(hào),通過軟件設(shè)置就可產(chǎn)生所需的CPU時(shí)鐘片內(nèi)的雙口RAM區(qū)允許一個(gè)指令周期內(nèi)訪問兩次,大大提高了數(shù)據(jù)處理能力,緩解了高速處理器與慢速外圍部件之間的矛盾內(nèi)含一個(gè)8通道轉(zhuǎn)換精度為10位的高速 A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時(shí)間可靈活的通過編程設(shè)置,最短僅為500ns,非常適合實(shí)時(shí)性控制的需要片內(nèi)優(yōu)化的單個(gè)事件管理器是為設(shè)計(jì)者提供的實(shí)現(xiàn)完整的高性能電機(jī)控制方案的關(guān)鍵從功能

45、上看,它提供的脈寬調(diào)制(PWM)通道及I/O口可以驅(qū)動(dòng)各種類型的電機(jī)其事件管理器包含了2個(gè)具有四種工作方式的定時(shí)器及 3個(gè)比較器,并輔以靈活的波形發(fā)生邏輯,可產(chǎn)生 6路 PWM輸出它支持對(duì)稱的和非對(duì)稱的PWM生成能力及空間矢量 PWM 以實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化下面將TMS320LF2403A的一些主要技術(shù)特性概括如下:采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使得供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗,40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns(40MHz),絕大部分指令為單周期,從而使控制器有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)控制能力單個(gè)的事件管理器包括2個(gè)16位通用定時(shí)器,8個(gè)16位具有內(nèi)部死區(qū)生成邏輯的脈寬(

46、PWM)調(diào)制通道3個(gè)捕獲單元,片內(nèi)光電編碼器接口電路,8通道A/D轉(zhuǎn)換器事件管理器適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)無刷直流電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)步進(jìn)電機(jī)多級(jí)電機(jī)和逆變器一個(gè)不可屏蔽中斷(NMI),1個(gè)外部中斷,6個(gè)按優(yōu)先級(jí)獲得服務(wù)的可屏蔽中斷,而且這6個(gè)中斷級(jí)都可以被很多外設(shè)中斷請(qǐng)求共享八個(gè)輔助寄存器和一個(gè)用于數(shù)據(jù)寄存器間接尋址的輔助算術(shù)單元544字片內(nèi)程序/數(shù)據(jù)雙口RAM(DARAM)和512字的單口RAM(SARAM)10位A/D轉(zhuǎn)換模塊最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,并且具有自動(dòng)排序的能力一次可執(zhí)行最多8個(gè)通道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,而每次要轉(zhuǎn)換的通道都可以通過編程來選擇內(nèi)置校驗(yàn)和自測(cè)試模式串行通信接口(SCI)模塊16

47、位串行外設(shè)(SPI)接口模塊 控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0模塊 基于鎖相環(huán)(PLL)的時(shí)鐘模塊和看門狗模塊(WDT) 電源管理包括3種低功耗模式,能獨(dú)立的將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式3.3 控制部分外圍電路介紹3.3.1 控制器參數(shù)選擇電路控制器在上電之前,要根據(jù)用戶需要設(shè)置相應(yīng)的步距角相電流大小以及輸入信號(hào)的模式等參數(shù)由于TMS320LF2407A 的 I/O口有限,但它有8個(gè)A/D采樣通道,而電流采樣和直流母線電壓采樣在一起也只需要用3個(gè)A/D采樣通道,所以控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置就采用了如圖3-3所示的撥碼開關(guān)電路這樣做只需4個(gè)A/D采樣通道就可以完成控制系統(tǒng)的16種細(xì)分選擇16種相電流選擇

48、和信號(hào)輸入模式及半流模式選擇DSP的A/D分辨率約3mV,但是電阻精度有限,所以在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候要注意撥碼開關(guān)右側(cè)電阻值的選取,并且在軟件設(shè)計(jì)中也要采取相應(yīng)的措施3.3.2 電流采樣和過流保護(hù)電路根據(jù)第二章推導(dǎo)的電磁轉(zhuǎn)矩公式Te=Kiq,可知在控制系統(tǒng)中,控制器需要及時(shí)準(zhǔn)確地知道繞組中實(shí)際電流信號(hào),以實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制和電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì),為此需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采樣電流采樣必須實(shí)時(shí)準(zhǔn)確和可靠,有時(shí)還要求被測(cè)電路與控制電路的可靠隔離通常電流檢測(cè)的方法有以下三種:電流互感器檢測(cè)霍爾電流傳感器檢測(cè)和采樣電阻檢測(cè)電流互感器被廣泛的應(yīng)用于電流的測(cè)量中,因?yàn)樗脑边叢捎么篷詈?故可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)電路與控制電路

49、的隔離互感器用于測(cè)量正弦電流,具有足夠的工程精度,但是這種方法用于測(cè)量非正弦供電流或含有諧波較多的電流時(shí),測(cè)量將產(chǎn)生較大的誤差由于互感器鐵心磁性材料的非線性影響,高次諧波分量的測(cè)量誤差較大,用一般的互感器檢測(cè) PWM逆變器這種含有豐富諧波分量的輸出電流,將難以準(zhǔn)確測(cè)量電流的瞬時(shí)值 圖3-3控制器參數(shù)選擇電路 Fig.3-3Controller parameter selection circuit霍爾電流傳感器是一種利用霍爾效應(yīng)來工作的半導(dǎo)體器件,其中磁補(bǔ)償式霍爾電流傳感器是基于磁場(chǎng)補(bǔ)償平衡原理,即初級(jí)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng),通過一個(gè)次級(jí)線圈的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償,使霍爾元件始終處于零磁通的平衡工作

50、狀態(tài)由于動(dòng)態(tài)平衡過程極快,從宏觀上看,次級(jí)電流通過測(cè)量電阻在任何時(shí)候都能檢測(cè)出來,其大小及波形是與初級(jí)電流完全對(duì)應(yīng)的霍爾電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流及非正弦的交流電流信號(hào)的可靠隔離傳送,是比較理想的電流檢測(cè)元件但是,霍爾電流傳感器價(jià)格較高,在一些低成本和小功率場(chǎng)合,應(yīng)用采樣電阻是一個(gè)很好的選擇采樣電阻可以直接將主電路的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送給控制電路,簡(jiǎn)單方便而且頻響好,輸出電壓直接正比于主電路流過的電流選擇采樣電阻要注意以下兩點(diǎn):電流采樣電阻應(yīng)該具有很低的阻抗(可以達(dá)到最小限度的功率損耗),很低的電感值(最小的di/dt 變化引起的電壓尖峰)對(duì)于采樣電阻值的選擇,一般是考慮最小的功率損耗和最大

51、的準(zhǔn)確性的折衷點(diǎn),小的采樣電阻能夠減小功率損耗,而大的采樣電阻能夠提高精度由于本課題所做的控制器功率較低,并且所用的IPM具有可單電源供電,可以不用隔離,能直接和微處理器接口的特點(diǎn),所以選用了電阻檢測(cè)的電流采樣電路采樣電阻連接方式如圖3-2所示由于電機(jī)三相電流滿足等式iA+iB+iC=0,所以只需采樣兩相電流即可,另一相電流可以由等式iA+iB+iC=0計(jì)算出來兩采樣電阻分別串在對(duì)應(yīng)橋臂的中點(diǎn)和電機(jī)接線端之間圖3-4給出了B相電流采樣放大部分的硬件原理圖,C相和B相相同 圖3-4電流采樣放大電路 Fig.3-4 Current sampling amplifier圖3-4中,第一級(jí)放大電路的輸

52、入端接在采樣電阻兩端,組成一個(gè)差分放大電路,同時(shí)第一級(jí)放大器也構(gòu)成了一個(gè)二階低通濾波器,以濾除采樣電阻上面的高頻諧波分量,提高采樣精度和抑制干擾對(duì)于第一級(jí)放大電路,選擇不同的電阻值和電容值就可以得到不同的截止頻率和不同的放大倍數(shù),應(yīng)根據(jù)采樣電阻和電機(jī)相電流選擇合適的電阻值和電容值由于TMS320LF2403A的A/D采樣模塊只能采樣單極性的電壓,且電壓應(yīng)限制在0至3.3V,而電機(jī)相電流為雙極性的正弦量,故用第二級(jí)放大器構(gòu)成了電壓偏置電路,使第二級(jí)放大器的輸出電壓V02在0到3.3V之間由于放大器供電電源為+15V和-15V,而DSP能接受的電壓最大也不超過5V,有時(shí)由于故障或控制失效,流過采樣

53、電阻的電流就會(huì)很大,導(dǎo)致V02很大(極限值能到+15V)為了避免燒壞 DSP,應(yīng)在V02 輸入到 DSP 的A/D采樣引腳之前加上由兩個(gè)二極管或使用穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的限幅電路,并要采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路圖3-5給出了B相的過流保護(hù)電路,C相和B相的相同過流是引起功率驅(qū)動(dòng)器被燒毀和損壞的主要原因之一IGBT雖然可以承受短時(shí)間的過流,但是超出安全工作區(qū),則會(huì)永久地?fù)p壞,所以要設(shè)置快速的過流保護(hù)電路在主電路進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí),一旦檢測(cè)到主電路過流,應(yīng)該立即封鎖控制信號(hào)輸出,通知 DSP關(guān)斷所有控制信號(hào)并報(bào)警圖3-5過流保護(hù)電路Fig.3-5Over-current protection circuit過流保護(hù)

54、電路選用了集電極開路的比較器LM311,在驅(qū)動(dòng)器正常工作沒有發(fā)生過流的情況下,兩比較器的輸出均為高電平;當(dāng)發(fā)生過流時(shí),其中一個(gè)比較器將輸出低電平信號(hào),此低電平信號(hào)經(jīng)相應(yīng)的處理后送到DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳,以用來及時(shí)的封鎖 PWM輸出,避免造成事故此保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行可靠3.4 智能功率模塊及其驅(qū)動(dòng)電路智能功率模塊(IPM)不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起,而且還含有欠壓過電流和過熱等故障檢測(cè)電路,并可將檢測(cè)信號(hào)送到CPU作中斷處理它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成即使發(fā)生過載事故或者使用不當(dāng),也可以使IPM自身在短時(shí)間內(nèi)不受損壞IPM一般使用IGBT

55、作為功率開關(guān)元件,并集成電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路IPM模塊一般有以下四種封裝形式:單管封裝,雙管封裝,六管封裝和七管封裝IPM模塊具有以下優(yōu)點(diǎn):開關(guān)速度快,功耗低IPM 內(nèi)的 IGBT 芯片都選用高速型,而且驅(qū)動(dòng)電路緊靠IGBT芯片,驅(qū)動(dòng)延時(shí)小,所以IPM開關(guān)速度快,損耗小 快速過流保護(hù)IPM 實(shí)時(shí)檢測(cè) IGBT 電流,當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時(shí),IGBT將被軟關(guān)斷,同時(shí)送出一個(gè)故障信號(hào) 過熱保護(hù)在靠近 IGBT 的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器,當(dāng)基板過熱時(shí),IPM內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動(dòng),不響應(yīng)輸入控制信號(hào) 橋臂對(duì)管互鎖三相橋的每組上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖,能有效防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通本系統(tǒng)選用了仙童公司(FAIRCHILD)的智能功率模塊,型號(hào)為FSAM10SH60AFSAM10SH60A 不僅具有以上所有的優(yōu)點(diǎn),而且其內(nèi)部集成有高速 HVIC