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三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)原理和控制

1．前言

    步進(jìn)電機(jī)是一種開(kāi)環(huán)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件，以脈沖方式進(jìn)行控制，輸出角位移。與交流伺服電機(jī)及直流伺服電機(jī)相比，其突出優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格低廉，并且無(wú)積累誤差。但是，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行存在許多不足之處，如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高等，又嚴(yán)重制約了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與它的驅(qū)動(dòng)器有密切的聯(lián)系，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的改進(jìn)來(lái)克服步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)。相對(duì)于其他的驅(qū)動(dòng)方式，細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式不僅可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻。總體來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的控制效果最好。因?yàn)槌Ｓ玫投瞬竭M(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)沒(méi)有編碼器反饋，所以隨著步進(jìn)電機(jī)速度的升高其內(nèi)部控制電流相應(yīng)減小，從而造成丟步現(xiàn)象。所以在速度和精度要求不高的領(lǐng)域，其應(yīng)用非常廣泛。

     因?yàn)槿�相混合式步進(jìn)電機(jī)比二相步進(jìn)電機(jī)有更好的低速平穩(wěn)性及輸出力矩，所以三相混合式步進(jìn)電機(jī)比二相步進(jìn)電機(jī)有更好應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)控制方法都是以硬件比較器完成，本文主要講述使用DSP及空間矢量算法SVPWM來(lái)實(shí)現(xiàn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)控制。

2．細(xì)分原理

    步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的定子繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)按某種要求變化，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。最佳的細(xì)分方式是恒轉(zhuǎn)矩等步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，各相繞組的合成磁場(chǎng)矢量，即各相繞組電流的合成矢量應(yīng)在空間作幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。

    三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理十分類(lèi)似于交流永磁同步伺服電機(jī)。其轉(zhuǎn)子上所用永磁磁鐵同樣是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的影響可忽略不計(jì)。在結(jié)構(gòu)上，它相當(dāng)于一種多極對(duì)數(shù)的交流永磁同步電機(jī)。由于輸入是三相正弦電流，因此產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)呈圓形分布，而且可以用永磁式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型（圖1）分析三相混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。為便于分析，可做如下假設(shè)：

a.步進(jìn)電機(jī)定子三相繞組完全對(duì)稱(chēng)；

b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì)；

c.激磁電流無(wú)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。

(圖1) 三相永磁同步電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)模型

   U、V、W 為定子上的3 個(gè)線(xiàn)圈繞組，3 個(gè)線(xiàn)圈繞組的軸線(xiàn)成 120°。電機(jī)單相繞組通電的時(shí)候，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為：T=f（i,theta）。其中，i為繞組中通過(guò)的電流；theta為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。由于磁飽和效應(yīng)可以忽略不計(jì)，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是圓形，其矩角特性為嚴(yán)格的正弦，

即：T=k *I*sin（theta），k 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)

若理想的電流源以恒幅值為I 的三相平衡電流iU、iV、iW 供給電機(jī)繞組，即：

iU=I*sin（wt）

iV=I*sin（wt+2*PI/3）

iW =I*sin（wt+4*PI/3）

則電機(jī)各相電流產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為：

TU=k*I*sin（wt）*sin（theta）

TV=k*I*sin（wt+2*PI/3）*sin（theta+2*PI/3）

TW=k*I*sin（wt+4*PI/3）*sin（theta+4*PI/3）

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，theta=wt，則三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩為：

T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin（PI/2-wt+theta）=3/2*k*I

   以上分析表明，對(duì)于三相永磁同步電機(jī)，當(dāng)三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時(shí)，由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應(yīng)用到三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，輸入的220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷�，再�?jīng)脈寬調(diào)制技術(shù)變?yōu)槿�路階梯式正弦波形電流，它們按固定時(shí)序分別流過(guò)三路繞組，其每個(gè)階梯對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)器輸出正弦電流的頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，而輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度，當(dāng)角度越小的時(shí)候，那么其階梯數(shù)就越多，即細(xì)分就越大，從理論上說(shuō)此角度可以設(shè)得足夠的小，所以細(xì)分?jǐn)?shù)可以是很大，而交流伺服控制的每步角度與反饋的編碼器的精度有很大的關(guān)系，一般使用的為2500線(xiàn)，所以每一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度僅為0.144度，而此方法控制的步進(jìn)電機(jī)，比如步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)為10000，則每一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度為0.036度，所以比一般的伺服控制精度高很多。當(dāng)然，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降，通過(guò)恒流方式可以使在電機(jī)低頻和高頻時(shí)保持同樣的相電流從而使高頻的力矩特性有所改善，這只能是在低速時(shí)，所以其綜合性能（高低速噪聲，高速力矩，高速平穩(wěn)性等）很難趕超交流伺服控制系統(tǒng)。

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