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

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)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?？梢哉f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，仍有許多國內(nèi)用戶使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(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。國內(nèi)仍有不少用戶沿用己被國外淘汰的單電壓串電阻等落后的驅(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)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（GTO）、雙極型晶體管（BJT）、電力場效應(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6kA、6kV，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MOSFET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（Integratedgate-commutatedthyristor），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。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/A、A/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Mullard公司產(chǎn)品，適用于開關(guān)頻率1kH以下）、SLE4520（德國西門子公司產(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，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Three-phasehybridsteppingmotorandthestatorinternalschematicdiagram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?？梢?，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。[7-9]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)電動(dòng)機(jī)示意圖2Three-phasehybridsteppingmotordiagram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?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁動(dòng)勢由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢Fr和定子繞組電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢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)勢有時(shí)是相加的，有時(shí)又是相減的，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢與定子磁勢相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，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θ，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2-4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2-3A相繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的受力圖-3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?？梢?，通過增加繞組通電狀態(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4Three-phasepowerhalfastepwhilerunningwindingcurrentdiagram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θ：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：θ=(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，簡化控制系統(tǒng)。(3).最大空載起動(dòng)頻率。電機(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2-590BYG350C型電機(jī)的矩頻特性圖590BYG350Ctypemotormomentfrequencyresponseplots(4).矩頻特性。電機(jī)在某種測試條件下測得運(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，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)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、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。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)首先由美國學(xué)者T.R.Fredriksen于1975年在美國增量運(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)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6Three-phaseHybridSteppingMotorDriverwithcurrentstateandwhenthetorquevector轉(zhuǎn)動(dòng)。合成磁場矢量的幅值決定了轉(zhuǎn)矩的大小，相鄰兩條合成磁場矢量的夾角決定了微步距角的大小。相電流變化一個(gè)周期，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距?？梢姡竭M(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)的繞組電流加以簡單的控制，如控制電流均勻上升、下降等，這樣簡單控制的結(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)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7Hybridsteppingmotorthedefinitionofd-qaxis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?？梢姡ㄟ^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（反電動(dòng)勢）是正弦的，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁勢，忽略磁場的高次諧波；（3）不考慮溫度、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ωr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，β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。θ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2-8三相混合式步進(jìn)電機(jī)在d-q坐標(biāo)系上的矢量圖8Three-phasehybridsteppingmotorinthedqcoordinatesystemonthevectorUd=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ud、uq、id、iq、ψd、ψq分別為d、q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d、q軸上的定子電感；ωe為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度；ψf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)=Z[fid+(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)；ωr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=Z[fissin+(Ld-Lq)is2sin2](2-12)式（2-12）括號(hào)中，第一項(xiàng)是由定子電流合成磁場與永磁體勵(lì)磁磁場相互作用產(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ψf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)勢與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢間的角度β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iq成正比，比例系數(shù)K=3/2*Zψf，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-phasehybridsteppingmotorcontrolsystemblockdiagram3.1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、濾波電容及智能功率模塊（IPM）組成；采用采樣電阻檢測電機(jī)相電流；DSP輸出的IPM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.3-2Controlsectionandpowerpartoftheinterfacecircuitdiagram3.2數(shù)字信號(hào)處理器簡介本系統(tǒng)采用了美國德州儀器公司（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。TMS320LF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TMS320LF2403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（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)和自測試模式。串行通信接口（SCI）模塊。16位串行外設(shè)（SPI）接口模塊?？刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)（CAN）2.0模塊?；阪i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。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=K?iq,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)還要求被測電路與控制電路的可靠隔離。通常電流檢測的方法有以下三種：電流互感器檢測、霍爾電流傳感器檢測和采樣電阻檢測。電流互感器被廣泛的應(yīng)用于電流的測量中，因?yàn)樗脑⒏边叢捎么篷詈?，故可以?shí)現(xiàn)被測電路與控制電路的隔離?；ジ衅饔糜跍y量正弦電流，具有足夠的工程精度，但是這種方法用于測量非正弦供電流或含有諧波較多的電流時(shí)，測量將產(chǎn)生較大的誤差。由于互感器鐵心磁性材料的非線性影響，高次諧波分量的測量誤差較大，用一般的互感器檢測PWM逆變器這種含有豐富諧波分量的輸出電流，將難以準(zhǔn)確測量電流的瞬時(shí)值。圖3-3控制器參數(shù)選擇電路Fig.3-3Controllerparameterselectioncircuit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補(bǔ)償平衡原理，即初級(jí)電流所產(chǎn)生的磁場，通過一個(gè)次級(jí)線圈的電流產(chǎn)生磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件始終處于零磁通的平衡工作狀態(tài)。由于動(dòng)態(tài)平衡過程極快，從宏觀上看，次級(jí)電流通過測量電阻在任何時(shí)候都能檢測出來，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.3-4Currentsamplingamplifier圖3-4中，第一級(jí)放大電路的輸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)行電流檢測時(shí)，一旦檢測到主電路過流，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-currentprotectioncircuit過流保護(hù)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電路，并可將檢測信號(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?？焖龠^流保護(hù)。IPM實(shí)時(shí)檢測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FSAM10SH60A。FSAM10SH60A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，使它能直接和CPU相連，可以省去6個(gè)高速光耦，減小控制信號(hào)的傳輸延遲，降低成本。高速HVIC還使單電源供電成為可能，簡化了電源設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)只需要＋15V，-15V和＋5V三路電源即可工作。若對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，選用單電源供電的放大器，則只需要＋15V和＋5V兩路電源就可工作。由于時(shí)間的原因，本課題沒有在這點(diǎn)上進(jìn)行優(yōu)化。自舉電路一般，IPM需要四路電源供電，上橋臂三個(gè)IGBT各需要一路，下橋臂三個(gè)IGBT共用一路。本控制器中FSAM10SH60A采用單電源供電，相應(yīng)的就需要設(shè)計(jì)自舉電路，下面介紹一下自舉電路設(shè)計(jì)中要注意的幾點(diǎn)。自舉電路的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，它由自舉電容CBS、自舉二極管DBS和限流電阻RBS組成。當(dāng)上橋臂關(guān)斷，下橋臂開通時(shí)，自舉電容CBS通過自舉二極管DBS和限流電阻RBS充電；當(dāng)下橋臂關(guān)斷，需要開通上橋臂時(shí)，充電后的自舉電容CBS提供上橋臂IGBT開通所要的驅(qū)動(dòng)電壓，自舉二極管DBS反向截止直流母線電壓。自舉電容充電時(shí)的電流流通路徑如圖3-6中的虛線所示。從自舉電路的工作原理可以看到自舉電容CBS、自舉二極管DBS和限流電阻RBS參數(shù)的選擇是設(shè)計(jì)自舉電路成敗的關(guān)鍵。CBS必須足夠大，以使維持上橋臂開通所需的電源，如果CBS過小，則在上橋臂導(dǎo)通期間，其兩端電壓可能會(huì)低于IGBT正常驅(qū)動(dòng)電壓（一般在10V到15V之間），這將會(huì)使IPM導(dǎo)通損耗加大，長期工作在這種狀態(tài)的話就有可能損壞IPM。CBS應(yīng)根據(jù)相應(yīng)IPM的參數(shù)和自舉電容的漏電流來選擇，具體的計(jì)算可參考相應(yīng)的IPM數(shù)據(jù)手冊(cè)。本系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算，選擇了電容值為220uF的自舉電容，在系統(tǒng)調(diào)試過程中一直運(yùn)行良好。自舉二極管DBS用來在上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷時(shí)，反向截?cái)嘀绷髂妇€電壓，防止直流母線側(cè)的高壓反饋到＋15V的電源上面。可見，自舉二極管DBS應(yīng)選用反向恢復(fù)時(shí)間短的超快恢復(fù)二極管。本系統(tǒng)選用的二極管為HER107，其反向恢復(fù)時(shí)間只有75ns，額定電壓（VRR）為800V，額定電流（IFSM）為30A，并且漏電流很小，完全滿足需要。限流電阻RBS是必須的，限流電阻RBS能減小自舉電容CBS充電時(shí)的dVBS/dt。RBS取值不能過大，不然自舉電容CBS充電時(shí)間將較長。一般取RC時(shí)間常數(shù)大于10us即可。圖3-6自舉電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3-6Bootstrapcircuitdiagram綜上可以看出，IPM采用自舉電路供電，具有結(jié)構(gòu)簡單、簡化電路設(shè)計(jì)和成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是由于要給自舉電容充電，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)要考慮下橋臂的最小開通時(shí)間，從而限制了IPM的導(dǎo)通占空比。IPM與DSP的接口電路由于本課題所研制的驅(qū)動(dòng)器為非隔離驅(qū)動(dòng)方式，即DSP的六路PWM輸出沒有經(jīng)過隔離，直接送到IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。但是DSP為3.3V的CMOS電平，而IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要5V，所以這里就需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。由于FSAM10SH60A的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)片內(nèi)IGBT開通，為了符合習(xí)慣，這里選用了開關(guān)速度極快的集電極開路的非門SN74AHC05做電平匹配電路。如圖3-7所示，DSP的六路PWM輸出經(jīng)過SN74AHC05上拉至5V，為了增強(qiáng)抗干擾性能，再經(jīng)過一個(gè)100W的串聯(lián)電阻后輸入到IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)端口。RPH、CPH和RPL、CPL同時(shí)也構(gòu)成了死區(qū)電路，延緩IGBT的開通。即使控制芯片沒有死區(qū)產(chǎn)生電路，通過選擇合適的RPH、CPH和RPL、CPL值也可以避免上下橋臂直通。在電路板的布局中，RPH、CPH和RPL、CPL要盡量靠近IPM的引腳。圖3-7DSP與IPM的接口電路Fig.3-7DSPinterfacecircuitandIPM在控制器復(fù)位期間，DSP的PWM輸出處于高阻狀態(tài)，處理不好的話可能會(huì)導(dǎo)致IPM誤導(dǎo)通，損壞IPM。為此，在SN74AHC05的輸入端采用了電阻RDL進(jìn)行下拉，在系統(tǒng)剛上電時(shí)，使IPM始終處于可靠的關(guān)斷狀態(tài)。IPM的錯(cuò)誤信號(hào)輸出是由一個(gè)集電極開路的電路實(shí)現(xiàn)的，所以錯(cuò)誤信號(hào)輸出引腳通過電阻RPF上拉到了3.3V。本課題做的控制器采用的是非隔離的驅(qū)動(dòng)方式，控制部分和功率部分是共地的，即整個(gè)控制器只有一個(gè)地。采用這種驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，要注意控制器的大地隔離問題，不然可能會(huì)造成人身傷害。圖3-8單相全波整流電路Fig.3-8Single-phasefull-waverectifiercircuit從電機(jī)控制電路來看，驅(qū)動(dòng)器可分為隔離驅(qū)動(dòng)方式和非隔離驅(qū)動(dòng)方式。所謂隔離，就是控制電路與功率部分完全隔開，兩者不共地，也沒有直接的電連接。這種驅(qū)動(dòng)方式里，PWM波采用高速光耦隔離，電流反饋一般采用HALL元件或者隔離變壓器隔離。由于電機(jī)的控制質(zhì)量和PWM的調(diào)制頻率有關(guān)，PWM調(diào)制頻率越高，控制質(zhì)量改善的余地就越大。為了充分利用IGBT的開關(guān)特性，一般將PWM載波頻率設(shè)為10K~20K左右；另外，驅(qū)動(dòng)電路里的IGBT所要求的死區(qū)時(shí)間一般為2us至12us。因此，光耦的開關(guān)時(shí)間必須在0.5us左右。另外，大電流的HALL傳感器或者隔離放大器也很貴，而且很多場合需要提供特殊的電源。所以，目前電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路開始采用非隔離方式，就是將控制模塊放到強(qiáng)電系統(tǒng)中，人機(jī)接口部分和控制部分用隔離方式通訊，保障系統(tǒng)的安全性。這樣可以省掉6個(gè)高速光耦和HALL器件及其電源，從而大大降低成本。從可靠性來講，兩者區(qū)別并不大，除非損壞性事故，隔離系統(tǒng)的控制部分可能會(huì)得以保全，而非隔離系統(tǒng)損壞的機(jī)會(huì)增加了。在整流時(shí)，一般使用單相或三相的全波整流電路。一個(gè)典型的單相全波整流電路如圖3-8所示。其中的零線一般與大地相連。對(duì)于非隔離系統(tǒng)，控制地G2和強(qiáng)電地N是連在一起的。整流橋的輸入為正弦電流，在電流的上半周，D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)過D2流經(jīng)負(fù)載，從D3返回零線；在電流下半周，D1、D4導(dǎo)通，假如G1和G2短接，D3被短路，電流可能會(huì)從G2流到N，造成短路。通常，G2和和N之間會(huì)有弱電模塊，比如電腦，仿真器，控制板等。在220V強(qiáng)電下均可能會(huì)受到損壞。一般情況下G1和G2不會(huì)短接，但在非隔離系統(tǒng)中，強(qiáng)電地就是控制地，在實(shí)際操作中，一不小心就會(huì)將控制地接到大地上，造成事故。為了避免事故的發(fā)生，在使用非隔離系統(tǒng)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：（1）盡量在整流橋的強(qiáng)電輸入端使用1:1隔離變壓器，把大地隔離；（2）控制器外殼和電機(jī)機(jī)殼應(yīng)可靠接地；（3）在測試過程中應(yīng)使用隔離大地的測試設(shè)備。本章介紹了控制器的總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)說明了電流采樣和過流保護(hù)電路。對(duì)于采用單電源供電的IPM功率部分，設(shè)計(jì)了自舉電路，并給出了自舉電路中元件選型的依據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。最后，分析了非隔離系統(tǒng)應(yīng)用中存在安全問題的原因，并給出了相應(yīng)的解決方案。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用先進(jìn)控制算法的控制器能有效的提高電機(jī)運(yùn)行性能，先進(jìn)的控制算法大多只能由軟件來實(shí)現(xiàn)。全數(shù)字化是交流傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，通過軟件來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的絕大部分功能可以使系統(tǒng)更加靈活，通過改變軟件可以實(shí)現(xiàn)多種不同的控制功能，滿足不同用戶的應(yīng)用需要。4.1系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)圖4-1控制系統(tǒng)框圖Fig.4-1Controlsystemblockdiagram為了實(shí)現(xiàn)第二章所提出的id=0的控制策略，采用的控制方案的框圖如圖4-1所示?？梢娤鄬?duì)于永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，少了速度環(huán)和位置環(huán)，只有一個(gè)電流環(huán)控制。系統(tǒng)采用矢量控制，在給定轉(zhuǎn)子磁鏈的位置和兩相電流的情況下，通過PI調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩，從而就能高效率、高精度的控制步進(jìn)電機(jī)。給定電流idref、iqref與反饋電流idfdb、iqfdb之差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)之后輸出電壓參考量Vdref和Vqref，再經(jīng)PARK逆變換到α-β坐標(biāo)系下，就可以獲得Vαref和Vβref，以這兩個(gè)量作為電壓空間矢量法的輸入。其中的θ角可以通過對(duì)外部的脈沖計(jì)數(shù)得到。只要θ角劃分的足夠細(xì)，就可以有效的抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。低頻振動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)固有的缺點(diǎn)，由于沒有位置閉環(huán)，這種只通過控制電流來控制速度的方法，不可能從根本上解決步進(jìn)電機(jī)振蕩和失步的問題。為防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)生失步，開環(huán)控制時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）選取較大的細(xì)分?jǐn)?shù)，使步進(jìn)電機(jī)每步只走過一個(gè)微小的步距角；（2）步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率不能過高。在電機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，外部發(fā)低頻脈沖，待電機(jī)起動(dòng)以后，逐漸加快脈沖頻率，直到電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速；（3）步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)，要先把速度降下來，再改變方向；（4）選用電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)矩應(yīng)有一定的裕量。圖4-2系統(tǒng)軟件的總體框圖Fig.4-2Theoverallblockdiagramofsystemsoftware本系統(tǒng)所用的軟件開發(fā)工具（CCS）支持匯編語言和C語言編程。為了提高程序的運(yùn)行速度和效率，本系統(tǒng)的軟件全部采用DSP匯編語言編寫，并采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，以提高軟件在反復(fù)調(diào)試、修改和補(bǔ)充過程中的效率，同時(shí)方便控制功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。根據(jù)控制系統(tǒng)框圖和前面的分析，可得系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，主要由以下六個(gè)部分組成：（1）系統(tǒng)初始化子程序；（2）主循環(huán)程序；（3）定時(shí)器T1下溢中斷服務(wù)子程序；（4）捕獲中斷服務(wù)子程序；（5）功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷服務(wù)子程序；（6）掉電中斷服務(wù)子程序。由于FSAM10SH60A的開關(guān)頻率為15kHz，即開關(guān)周期為67us。在程序運(yùn)行時(shí)間允許的情況下，開關(guān)頻率越高，則控制性能就越好，所以本系統(tǒng)電流環(huán)的采樣周期就采用了IPM的開關(guān)周期67us。從而可知定時(shí)器T1下溢中斷服務(wù)子程序的調(diào)用頻率為15kHz，每67us執(zhí)行一次，程序中主要包括了電流檢測子程序、電流調(diào)節(jié)子程序、SVPWM調(diào)制子程序、CLARK變換子程序、PARK變換子程序、PARK逆變換子程序以及系統(tǒng)的監(jiān)測和故障處理模塊等。圖4-3系統(tǒng)初始化程序流程圖Fig.4-3Systeminitializationprocessflowdiagram系統(tǒng)初始化子程序系統(tǒng)初始化子程序的流程圖如圖4-3所示，它用來完成控制器的一些變量的初始化和系統(tǒng)的初始化。變量的初始化指的是各個(gè)變量相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元的初始化賦值。系統(tǒng)的初始化是指DSP正常工作之前的初始化，如設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘，外部有源晶振輸出時(shí)鐘為10MHz，在DSP內(nèi)部經(jīng)4倍頻后得到系統(tǒng)時(shí)鐘為40MHz；設(shè)置事件管理器模塊，初始化各個(gè)定時(shí)器，設(shè)置比較模式和死區(qū)時(shí)間；A/D采樣初始化等。初始化之后，程序進(jìn)入主循環(huán)程序，等待中斷的發(fā)生。根據(jù)前面分析，由于FSAM10SH60A采用自舉電路驅(qū)動(dòng)，為了讓IPM能正常工作，在DSP系統(tǒng)初始化之后就應(yīng)該讓IPM上橋臂三個(gè)IGBT關(guān)斷，下橋臂三個(gè)IGBT導(dǎo)通，立即對(duì)自舉電容充電。電流零點(diǎn)自檢是實(shí)現(xiàn)電流檢測電路的校準(zhǔn)，提高A/D采樣的精度。電流采樣電路可能存在零偏現(xiàn)象，即當(dāng)測量電流為零時(shí)，采樣電路也會(huì)輸出一個(gè)失調(diào)電壓值，因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。在自舉電容充電階段，逆變器上橋臂三個(gè)IGBT一直處于關(guān)斷狀態(tài)，電機(jī)相電流為零，此時(shí)對(duì)B、C兩相進(jìn)行采樣，每相各采樣512次，取其平均值，分別作為B、C兩相采樣電流的零偏值。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，從電流采樣值中減去各自的零偏值，獲得實(shí)際電流的測量值，從而達(dá)到了很好的補(bǔ)償效果，提高A/D采樣的準(zhǔn)確性。定時(shí)器T1下溢中斷服務(wù)子程序定時(shí)器T1是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間基準(zhǔn)，T1下溢中斷服務(wù)子程序是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，整個(gè)軟件系統(tǒng)的絕大部分都在定時(shí)器T1下溢中斷服務(wù)子程序中完成。程序流程圖如圖4-4所示。中斷程序首先根據(jù)DSP相應(yīng)I/O的狀態(tài)，判斷是否允許電機(jī)運(yùn)行，不允許，則直接返回。若允許電機(jī)運(yùn)行，則進(jìn)行B、C兩相電流采樣，進(jìn)而進(jìn)行CLARK變換、PARK變換、PI調(diào)節(jié)、PARK逆變換等一系列運(yùn)算。其中PARK變換和PARK逆變換用到的轉(zhuǎn)子位置角θ是通過捕獲中斷服務(wù)子程序計(jì)算得到的。捕獲中斷服務(wù)子程序步進(jìn)電機(jī)的位置和速度是由外部輸入的脈沖信號(hào)來控制，外部每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，脈沖的頻率改變同時(shí)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，控制外部脈沖的個(gè)數(shù)，就可以使步進(jìn)電機(jī)精確定位。本控制器有兩種信號(hào)輸入模式：雙脈沖方式和脈沖/方向模式。外部脈沖輸入通過光耦隔離后接到DSP的CAP1和CAP2的引腳，外部每發(fā)一個(gè)脈沖，就會(huì)發(fā)生一次捕獲中斷，在中斷程序中將轉(zhuǎn)子位置角θ加一個(gè)細(xì)分步距角。此中斷服務(wù)程序比較簡單，在此就不列出其流程圖。功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷服務(wù)子程序TMS320LF2403A具有一個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳（PDPINTA），當(dāng)該引腳有效（低電平）時(shí)，事件管理器A的PWM輸出引腳將被自動(dòng)置為高阻態(tài)，如果設(shè)置了允許功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷，則同時(shí)會(huì)發(fā)生中斷。在應(yīng)用中，把過壓、過流和IPM的錯(cuò)誤信號(hào)經(jīng)過處理后連接到此腳。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，6路PWM波被封鎖，IPM將被關(guān)斷，同時(shí)發(fā)生中斷。由于對(duì)功率器件的保護(hù)由硬件自動(dòng)完成，所以在功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷服務(wù)子程序中只需要再做一些附加的保護(hù)工作即可，如把電流給定置為0、清除PI調(diào)節(jié)器的累積積分、把電機(jī)運(yùn)圖4-4定時(shí)器T1下溢中斷服務(wù)子程序流程圖Fig.4-4TimerT1underflowinterruptserviceroutineflowchart行軟件使能信號(hào)置為“否”，使錯(cuò)誤指示燈閃爍，提示有故障發(fā)生。系統(tǒng)掉電保護(hù)中斷服務(wù)子程序掉電保護(hù)中斷服務(wù)子程序的作用就是在系統(tǒng)非正常掉電的時(shí)候，將系統(tǒng)的位置信息、主脈沖序數(shù)等保存進(jìn)EEPROM芯片X25040中，并且寫入非正常關(guān)機(jī)的信息，以備再次上電的時(shí)候恢復(fù)當(dāng)前信息。4.3PID調(diào)節(jié)器的原理及數(shù)字化實(shí)現(xiàn)本控制系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器采用了經(jīng)典控制理論中簡單、實(shí)用的PID算法。由于PID調(diào)節(jié)器中的微分環(huán)節(jié)對(duì)噪聲比較敏感，所以控制系統(tǒng)的軟件中令微分時(shí)間常數(shù)TD＝0，即只采用了PI調(diào)節(jié)。圖4-5PID控制系統(tǒng)的原理框圖Fig.4-5BlockdiagramofPIDcontrolsystem如圖4-5所示，PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成偏差e(t)，再將偏差e(t)的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。其控制規(guī)律為：U(t)=Kp[e(t)+dt+TD](4-1)式中，KP為調(diào)節(jié)器比例增益，TI為調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器中比例調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)偏差做出瞬間快速反應(yīng)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使控制量向著減小偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP，增大KP，將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并可能產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分調(diào)節(jié)器的作用是把偏差積累的結(jié)果，作為它的輸出。在調(diào)節(jié)過程中，只要偏差存在，積分調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)不斷增大，直到偏差e(t)等于0，輸出u(t)才能維持某一常量，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)。積分調(diào)節(jié)雖然可以消除靜差,但會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)輸出的超調(diào)。微分控制器的作用是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大。因此微分作用的加入有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。但微分環(huán)節(jié)對(duì)噪聲有敏感的反應(yīng)，所以在電機(jī)控制中，一般不加入微分環(huán)節(jié)，只采用PI調(diào)節(jié)器。上面介紹的是模擬PID控制器的原理，采用數(shù)字控制時(shí)要把控制器中相應(yīng)的量進(jìn)行離散化，數(shù)字控制是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，進(jìn)行離散控制。設(shè)采樣周期為T，用離散采樣時(shí)刻iT代替連續(xù)時(shí)間t，則積分和微分可以分別用下面兩式表示：dt=(4-2)(4-3)將式（4-2）和式（4-3）帶入式（4-1）得PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字化表示為：u(k)=Kp[e(k)++(e(k)-e(k-1))](4-4)式中u（k）、e（k）、e（k-1）分別為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值、輸入的偏差值和k-1時(shí)刻的輸入偏差值。相應(yīng)的可得k-1時(shí)刻的輸出值為：u(k-1)=Kp[e(k-1)++(e(k-1)-e(k-2))](4-5)式（4-4）減去式（4-5）可得：u=u(k)-u(k-1)=d0e(k)+d1e(k-1)+d2e(k-2)(4-6)u(k)=u(k-1)+u(k)(4-7)式中do=kp(1+T/TI+TD/T),d1=-K1(1+2*TD/T),d2=kP*TD/T。由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了PK、IT、DT，只需要使用前三次測量值的偏差，即可以由式（4-6）求出控制量的增量?u(k)、再由式（4-7）求出實(shí)際的控制量。這就是增量型PID算法，它無累加計(jì)算，可以自動(dòng)改善積分飽和影響，減小超調(diào)，缺點(diǎn)是積分截?cái)嗾`差大，有靜差。該算法只需要記錄本次偏差和上一次的偏差，可見其計(jì)算量很小，所以比較適合數(shù)字PID控制。4.4數(shù)字PID控制算法的改進(jìn)具有積分作用的PID調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量和給定值之間有誤差，其輸出就會(huì)不停的變化。如果由于某種原因，誤差一時(shí)無法消除，調(diào)節(jié)器就要不停的校正這個(gè)誤差，結(jié)果很容易造成積分飽和，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致處理器溢出。因此實(shí)際應(yīng)用中必須采取一定的改進(jìn)措施避免出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，如采用積分分離、遇限削弱積分、梯形積分、消除積分不靈敏區(qū)等。遇限削弱積分法遇限削弱積分法的基本思想是，當(dāng)控制量進(jìn)入飽和區(qū)后，只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的累加，而不進(jìn)行增加積分項(xiàng)的累加。在計(jì)算前，先判斷是否超過限制范圍，若已經(jīng)達(dá)到了最大限定值，則只積累負(fù)誤差；若已經(jīng)達(dá)到了最小限定值，則只積累正誤差。這種方法可以避免控制量長時(shí)間停留在飽和區(qū)，從而改善控制系統(tǒng)的性能。其控制算法框圖如圖4-6所示。圖4-6遇限削弱積分PID算法程序流程圖Fig.4-6WeakenthecaseoflimitedintegrationprogramflowchartofPIDalgorithm積分分離法積分分離法的基本思想是當(dāng)輸入誤差的絕對(duì)值大于某個(gè)門限值ε時(shí)，不做積分調(diào)節(jié)，只做比例調(diào)節(jié)，避免PI調(diào)節(jié)器深度飽和，同時(shí)有利于PI退飽和。當(dāng)輸入誤差較小時(shí)，才引入積分作用，以消除靜差。其控制算法框圖如圖4-7所示。圖4-7積分分離PID算法程序流程圖Fig.4-7IntegralSeparationPIDalgorithmprogramflowchart空間電壓矢量PWM（SVPWM，也稱磁通正弦PWM），英文全稱為SpaceVectorPulseWidthModulation。它是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即正弦磁通的一種PWM調(diào)制方式。它以三相對(duì)稱正弦波電源供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的電機(jī)運(yùn)行特性。與傳統(tǒng)的電流控制方法相比，SVPWM在輸出電壓或電機(jī)繞組的電流中都將產(chǎn)成較少的諧波，提高了對(duì)電壓源逆變器直流供電電壓的利用效率?？梢宰C明，三相電壓源型逆變電路采用空間矢量控制時(shí)直流電壓利用率不小于0.707，而采用SPWM調(diào)制時(shí)的直流電壓利用率不大于0.612，所以本系統(tǒng)采用了空間矢量調(diào)制，以提高混合式步進(jìn)電機(jī)在高速時(shí)的出力。作為矢量控制中比較重要的概念，將SVPWM單獨(dú)提出，介紹其調(diào)制原理與數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，并說明了其相對(duì)于傳統(tǒng)SPWM的區(qū)別以及優(yōu)點(diǎn)，相應(yīng)的程序流程圖也在本節(jié)給出。圖4-9三相電壓源型逆變器的典型結(jié)構(gòu)圖Fig.4-9Three-phasevoltagesourceinvertertypicalchart圖4-9三相電壓源型逆變器的典型結(jié)構(gòu)圖圖4-9為三相電壓源型逆變器的典型結(jié)構(gòu)圖。圖中，Va、Vb、Vc是逆變器的電壓輸出，Q1到Q6是6個(gè)功率開關(guān)器件，它們分別被a、a‘、b、b‘、c、c‘這6個(gè)控制信號(hào)所控制。當(dāng)逆變器上半部分的一個(gè)功率器件開通時(shí)，即a、b、c為“1”時(shí)，與它們相對(duì)應(yīng)的下橋臂的功率器件就關(guān)斷，即a‘、b‘、c‘就為“0”。Q1、Q3、Q5這三個(gè)功率器件的開關(guān)狀態(tài)，即a、b、c為0或1的狀態(tài)，將決定Va、Vb、Vc三相輸出電壓情況。逆變器輸出的線電壓矢量[Vab，Vbc，Vca]T和相電壓矢量[Van，Vbn，Vcn]T和開關(guān)變量矢量[a，b，c]Vab1-10aVbc=Vdc01-1b(4-8)Vca-101cVan2-1-1aVbn=Vdc-12-1b(4-9)Vcn-1-12c表4-1不同開關(guān)矢量對(duì)應(yīng)的逆變器的電壓輸出值Table4-1differentinverterswitchingvectorcorrespondingtothevoltageoutputcbaVanVbnVcnVabVbcVca0000000000012Vdc/3-Vdc/3-Vdc/3Vdc0-Vdc010-Vdc/32Vdc/3-Vdc/3-VdcVdc0011Vdc/3Vdc/3-2Vdc/30Vdc-Vdc100-Vdc/3-Vdc/32Vdc/30-VdcVdc101Vdc/3-2Vdc/3Vdc/3Vdc-Vdc0110-2Vdc/3Vdc/3Vdc/3-Vdc0Vdc111000000式中Vdc是電壓源逆變器的直流供電電壓，或者稱為直流母線電壓。不難看出，因?yàn)殚_關(guān)變量矢量[a，b，c]T只可能有8個(gè)不同的組合值，故其輸出的相電壓和線電壓也只有8種對(duì)應(yīng)的組合。開關(guān)變量矢量[a，b，c]T與輸出的線電壓和相電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-1所示。在該表中Van、Vbn、Vcn分別表示逆變器輸出的三個(gè)相電壓，Vab、Vbc、Vca分別為逆變器輸出的三個(gè)線電壓。由CLARKE變換，可得逆變器的三相線電壓在(α,β)坐標(biāo)系下的形式為：Vs=Van(4-10)Vs=(Van+2Vbn)/表示為矩陣形式為：Vs1-1/2-1/2Van=Vbn(4-11)Vs0/2-/2Vcn表4-2開關(guān)矢量與電壓矢量對(duì)應(yīng)關(guān)系表Table4-2switchingvectorandvoltagevectorcorrespondingrelationshiptablecbaVsVsVector00000O0