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)槿嗷旌鲜讲竭M(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)槿冯A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)。
(圖2) 給出相差120°的三相階梯式正弦電流
三相混合式步進(jìn)電機(jī)一般把三相繞組連接成星形或者三角形,按照電路基本定理,三相電流之和為零。即IU+IV+IW =0。所以通常只需產(chǎn)生兩相繞組的給定信號(hào),第三相繞組的給定信號(hào)可由其它兩相求得。同樣,只需要對(duì)相應(yīng)兩相繞組的實(shí)際電流進(jìn)行采樣,第三相繞組的實(shí)際電流可根據(jù)式求得。
3.三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)構(gòu)成
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的總體方案如圖3 所示,主要包括單片機(jī)電路、電流追蹤型SPWM 電路和功率驅(qū)動(dòng)電路組成
3.5 控制軟件流程
圖4 主程序流程圖
圖5 中斷部分的流程圖
為減少功耗和保護(hù)步進(jìn)電機(jī),設(shè)置了自動(dòng)半流功能,它由滯環(huán)比較器自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4.結(jié)論
實(shí)踐證明本文所講的驅(qū)動(dòng)方法其適應(yīng)性很強(qiáng),基本上可以適應(yīng)所有的三相混合式步進(jìn)電機(jī)。特別對(duì)三相繞組星形接法,低頻時(shí)運(yùn)行平穩(wěn),無(wú)振蕩,有效地抑制了振蕩、噪聲。另外,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路,使整個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的可靠性大大提高。
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