文档介绍：基于DSP的混合式步进电动机细分控制研究
引言
步进电动机的细分驱动是通过控制各相绕组中的电流,使它们按一定的规律上升或下降,即在零电流到最大电流之间形成多个稳定的中间电流状态,相应的合成磁场矢量的方向也存在多个中间状态,且按细分步距旋转。其中合成磁场矢量的幅值决定了步进电动机旋转力矩的大小,合成磁场矢量的方向决定了细分后步距角的大小。
步进电动机的细分控制理论自其产生已经经历了近二十年的发展。过去由于受到电子元器件在开关频率、负载能力、运算速度等诸多方面的制约,很长一段时间细分控制的实际应用很少。随着微电子技术特别是单片机嵌入式系统及DSP技术的飞速发展以及现代电力电子技术的突飞猛进,步进电动机的细分控制也得到了充分发展。
目前,步进电动机的细分驱动电路大多都由单片机控制,单片机控制的步进电动机细分驱动电路不仅减小了控制系统的体积、简化了电路,同时进一步提高了细分精度和控制系统的智能化。随着DSP技术的出现和发展,形成了交流电动机矢量控制、直接转矩控制、无刷直流电机控制、永磁同步电机矢量控制等多种先进、复杂的电机控制方式。形成了电动机控制领域的一次新的技术热潮。
本章基于DSP技术,结合步进电动机的细分控制理论实现了对混合式步进电动机的有效控制,并对其关键电路进行了设计。
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步进电动机角速度波动的特点
步进电动机的平均转速与控制脉冲频率成正比,与逻辑通电状态及转子齿数成反比,即平均转速:
(r/s) (3-1)
则平均角速度: (rad/s) (3-2)
步进电动机运行时,根据其运动形式的特点,可将整个频域分为极低频、低频和高频等几种运行状态。
极低频运行状态
步进电动机运行在极低频状态时,有,即控制脉冲的周期或间隔时间大于停止时间的频域。电动机每走一步,都是单步响应过程,电动机按其自然频率振荡可衰减到静止。式(3-2)中,电动机的平均角速度很小,但是在自由振荡过程中最大角速度可以达到相当大的值。实际上在该频域内电动机处于断续运行状态,角速度波动很大,在其正的最大值和负的最大值之间变化。
2. 低频运行状态
步进电动机运行在低频状态时,有,在这个频段内,控制脉冲的时间间隔比停止时间小,单步的角速度振荡不能衰减到零。但是控制脉冲的间隔时间比自由振荡周期的四分之一要长,所以一般有过冲或超调。在这个频段内启动电动机时,初始条件比较复杂,在不利的情况下可能产生明显的振荡,包括,这就是通常所说的低频共振点。
3. 高频运行状态
高频运行状态时,有> 4f0 。在这个频段内,控制脉冲的周期小于自由振荡周期的四分之一,所以在这一频段内电动机启动时,第一步的角位移肯定不会超过一个步距角,即产生滞后的动态误差。电动机连续稳态运行时,也就不会有步进的感觉。于是把作为步进电动机进入高频运行频域的分界线,也就是步进电动机进入比较连续平稳运行的分界线。
从以上分析可以看出,步进电动机在低速时易出现低频振动现象。这种由步进电动机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。为此当步进电动机在极低频运行状态和低频运行状态这两个频段运行时,有必要采用细分控制技术,降低电动机转矩波动和角速度波动,提高速度控制精度,减少运转噪音,提高电动机使用寿命。
两相混合式步进电动机细分驱动的基本原理
从前一章()节中步进电动机的电磁模型可知,当步进电动机两相同时通电流时,不计铁心饱和的影响,应用叠加原理,可得到步进电动机的电磁转矩:
(3-3)
两相混合式步进电动机的距角特性为正弦曲线这一特性非常重要,它是步进电动机细分控制得以实现的理论基础。
当转子稳定在某一位置时,即,则:
(3-4)
为了实现恒力矩驱动,并保持力矩输出为最大值,假设A相电流的变化取三角函数关系,即:
(3-5)
则: (3-6)
式中为电动机轴预置位置的电角度。
则步进电动机的电磁转矩式(3-3)可表示为:
(3-7)
此时,两相混合式步进电动机可以作为一台多极两相永磁同步电动机分析,如果转子有个齿,则它的特性相当于一台(此例=8)个极的两相同步电动机。对于理想化模型(不计铁心饱和的影响),两相混合式步进电动机定子两相分别通入模拟的正、余弦电流则可得到类似同步机的转矩特性,使电动机均匀旋转。微步驱动正是用有限的数字化电流模拟正余弦电流,从而得到比较好的控制效果。
当电动机转子由A到B转过电角度,电动机则转过一个步距角。按式(3-7)对电动机A、B两相电流进行控制时,每当变化,步进电动机转子就转过的步距角,从而实现电动机的360细分控制。由的不同就可以确立不同的细分方式。图3-1是取步长,即电动机8细分时在一个步距角内电机A、B相电