【正文】 1 1 緒 論 引言 步進(jìn)電動機(jī)一般以開環(huán)運(yùn)行方式工作在伺服運(yùn)動系統(tǒng)中 ,它以脈沖信號進(jìn)行控制 ,將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或線位移 ?步進(jìn)電動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信號的變換 ,是自動控制系統(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)用在對速度和精度要求不高 ,且對成本敏感的領(lǐng)域 ? 技術(shù)進(jìn)步給步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的細(xì)分驅(qū)動得以實(shí)現(xiàn) ?細(xì)分驅(qū)動技術(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)動控制技術(shù) ?實(shí)踐證明 ,步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進(jìn)電動機(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)電動機(jī) ,又于 1993 年開發(fā)了三相混合式步進(jìn)電動機(jī) ?根據(jù)混合式步進(jìn)電動機(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)動器 ? 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器的發(fā)展概況 按勵磁方式分類 ,可以將步進(jìn)電動機(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)電動機(jī) 的優(yōu)點(diǎn) ,因此混合式步進(jìn)電動機(jī)具有諸多優(yōu)良的性能 ,本課題的研究對象正是混合式步進(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)電動機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用 ?在近 30 年間 ,步進(jìn)電動機(jī)迅速的發(fā)展并成熟起來 ?從發(fā)展趨勢來講 ,步進(jìn)電動機(jī)已經(jīng)能與直流電動機(jī) ?異步電動機(jī)以及同步電動機(jī)并列 ,從而成為電動機(jī)的一種基本類型?特別是混合式步進(jìn)電動機(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了四相 (兩相 )混合式步進(jìn) 電動機(jī)專利 ,70 年代中期 ,百格拉公司又申請了五相混合式步進(jìn)電動機(jī)及驅(qū)動器的專利 ,發(fā)展了 2 性能更高的混合式步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)及驅(qū)動器專利到期之時(shí) ,百格拉公司又申請了三相混合式步進(jìn)電動機(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)動的總位移取決于輸入的脈沖總數(shù) ,相對來說 ,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機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) ,起動 ?轉(zhuǎn)向 ?制動 ?改變轉(zhuǎn)速及其他任何運(yùn)動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) ?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)動技術(shù)的發(fā)展相對落后 ,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)動方式 ,驅(qū)動器電路中使用分立元件居多 ,可靠性差 ,且各廠家的驅(qū)動技術(shù)規(guī)范 ?技術(shù)等級 ?生產(chǎn)工藝參差不齊 ?目前發(fā)達(dá)國家的驅(qū)動器已進(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 ?[13] 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(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)及社會發(fā)展的需要推動了交流調(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) 3 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機(jī)的驅(qū)動器中 ,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 (PMOSFET)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 ,故所需的驅(qū)動功率較大 。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)動功率小 ,電壓型控制 ,但器件功率等級低 ,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 ,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 (Integrated gatemutated 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 對稱截止 GTO 晶閘管 ,其關(guān)斷電流增益為 1,可見其驅(qū)動功率之小 ?該器件的導(dǎo)通壓降 ?開通 di/dt?門極驅(qū)動損耗 ?少數(shù)載流子存儲時(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)傳動中 ?[46] 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 ? 4 (1). 單片機(jī) ?一片單片機(jī)芯片就是一臺微型計(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)對大量數(shù)據(jù)的處理能力有限 ,因此只用于一些對性能要求不高的場合 ? (2). 數(shù)字信號處理器 (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于電機(jī)控制的 DSP 芯片 ,常見的如 TI 公司的 C2022 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)電動機(jī)的原理及其驅(qū)動控制 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)與反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動機(jī)相比 ,具有很多優(yōu)點(diǎn) ,獲得了越來 5 越廣泛的應(yīng)用 ?電流閉環(huán) ?三相正弦電流驅(qū)動是三相混合式步進(jìn)電動機(jī)常用的驅(qū)動方式 ? 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 混合式步進(jìn)電動機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電動機(jī) ?它既有反應(yīng)式步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的高效率 ,繞組電感比較小的特點(diǎn) ,故稱混合式 ?圖 21 給出了三相混合式步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)相似 ? 圖 21 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 hybrid stepping motor and the stator internal schematic diagram 混合式步進(jìn)電動機(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)子分段錯齒和轉(zhuǎn)子軸向永磁勵磁 ,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)電動機(jī)既可以用作同步 電動機(jī)進(jìn)行速度控制 ,又可以用作步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行位置開環(huán)控制 ?[79] 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 圖 22 給出了一臺簡單的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的橫截面示意圖 ?圖中三相混合式步 6 圖 22 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)示意圖 hybrid stepping motor diagram 進(jìn)電動機(jī)的定子為三相六極 ,三相繞組分別繞在相對的兩個(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開半個(gè)齒距 ?從電動機(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)子齒的軸線就錯開 1/3齒距 ? 混合式步進(jìn)電動機(jī)的氣隙磁動勢由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁動勢 Fr 和定子繞組電流產(chǎn)生的磁動勢 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 ,這兩種磁動勢有時(shí)是相加的 ,有時(shí)又是相減的 ,轉(zhuǎn)子磁動勢與定子磁勢相互作用