【文章內(nèi)容簡介】 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齒距 ?定 ?轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同 ?可見 ,通過轉(zhuǎn)子分段錯齒和轉(zhuǎn)子軸向永磁勵磁 ,三相混合式步進電機在結(jié)構(gòu)上巧妙的實現(xiàn)了多極對數(shù)永磁凸極同步電機的思想 ,從原理 上講是低速永磁凸極同步電機 ?三相混合式步進電機的工作原理與普通三相同步電動機的工作原理相似 ,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 ?由于電動機定子和轉(zhuǎn)子間有相對運動 ,電磁關(guān)系十分復(fù)雜 ,并且步進電機本身又是一類高度非線性的電機 ,是一個多變量 ?非線性 ?強耦合的系統(tǒng) ,為了簡化分析 ,在建立三相混合式步進電機的數(shù)學(xué)模型時 ,做如下假設(shè) :[2935] (1)忽略鐵心飽和 ,不計剩磁影響 ?不計磁滯損耗和渦流效應(yīng) ,認為磁路是線性的 。 (2)氣隙磁通在空間按正弦分布 ,即 感應(yīng)電動勢 (反電動勢 )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 ?頻率變化對電機參數(shù)的影響 ?按照以上條件分析實際電動機 ,所得結(jié)果和實際情況十分接近 ,可以使用上述假設(shè)對電動機進行分析和控制 ? 仿同步電機 ,定義混合式步進電機的 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 27 所示 ?建立如圖 28 所示的 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標系 ,此坐標系隨電動機轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速ω r 旋轉(zhuǎn) ,在此 dq 坐標系上的三相混合式步進電機的矢量也在圖上標出 ?圖中 ,β為電機定子三相電流合成空間矢量 is 和永磁體勵磁磁極軸線 (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) dq 坐標系下電動機的數(shù)學(xué)模型如下 ? 定子電壓方程 : 14 圖 28 三相混合式步進電機在 dq 坐標系上的矢量圖 hybrid stepping motor in the dq coordinate system on the vector Ud=Rid+P? dWe? q (25) Uq=Riq+P? q+We? d 定子磁鏈方程 : ?d=Ldid+? f (26) ?q= Lqiq 由式 (25)和式 (26),可得 : Ud=Rid+LdPidweLqiq (27) Uq=Riq+LqPiq+we(Ldid+? f) 上述公式中 ud?uq?id?iq ?ψ d?ψ q 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 。ω e為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度 。ψ f為永磁體對應(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=23 Z(? diq? qid)=23 Z[? fid+(LdLq)idiq] (28) 電動機的機械運動方程為 : Te=Tl+Bwr+Jpwr (29) 上述公式中 ,Z為混合式步進電動機轉(zhuǎn)子齒數(shù) 。Te 為電磁轉(zhuǎn)矩 ,Tl為負載轉(zhuǎn)矩 。J 為電動機轉(zhuǎn) 15 子和所帶負載的總轉(zhuǎn)動慣量 ,B為粘滯摩擦系數(shù) 。ω r為電動機轉(zhuǎn)子的機械角速度 ,其與電角速度間的換算如下 : we=Zwr (210) 由 dq 坐標系下的矢量圖 28 可得 : id=iscos? (211) iq=issin? 結(jié)合式 (28)可得電磁轉(zhuǎn)矩 : Te=23 Z[? fissin? +21 (LdLq)is2sin2? ] (212) 式 (212)括號中 ,第一項是由定子電流合成磁場與永磁體勵磁磁場相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 ,稱為主電磁轉(zhuǎn)矩 。第二項是磁阻轉(zhuǎn)矩 ,它是由電動機的凸極效應(yīng)引起的 ,并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比 ? 可以看出 ,混合式步進電動機的電磁轉(zhuǎn)矩的控制取決于對交軸電流 iq和直軸電流 d的控制 ?當 id=0時 ,由于ψ f為常數(shù) ,只要控制 iq 就可以線性的控制電磁轉(zhuǎn)矩 ?仿同步電動機的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制方式 ,即在混合式步進電動機的整個運行過程中 ,始終保持 id=0,使定子電流產(chǎn)生的電樞磁動勢與轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢間的角度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,從而實現(xiàn)了交軸電流 iq 和直軸電流 id 的解耦 ,達到了矢量控制的目的 ?此時的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式表示 : Te=K*iq (213) 由于電機定子綜合電流矢量始終與轉(zhuǎn)子的磁極軸線成 90176。,該方法又稱按勵磁軸線定向的矢量控制 ?此時電機所有電流均用來產(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 ,對逆變器容量要求提高 ?為保證電流環(huán)動態(tài)跟隨 ,隨著電機轉(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) ? 對于有明顯凸極效應(yīng)的混合式步進電動機 ,其 LdLq ,采用這種 id=0 的控制方式時 ,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)揮電機轉(zhuǎn)矩輸出能力 ?這點是 id=0 的控制方式運用于混合式步進電動機控制系統(tǒng)的不足 ? 本章小結(jié) 本章詳細介紹了三相混合式步進電動機的工作原理 ,建立了三相混合式步進電動機的 16 理想數(shù)學(xué)模型 ,提出了相應(yīng)的控制方案 ? 17 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 混合式步進電機是一種系統(tǒng)電機 ,電機本體與其控制器密不可分 ?優(yōu)秀的電機運行性能只有通過高性能的控制器和先進 的控制策略來實現(xiàn) ?采用智能功率模塊 (IPM)和數(shù)字信號處理器 (DSP)可以使控制器結(jié)構(gòu)簡單 ?性能可靠 ,可以實現(xiàn)先進的控制 方 法 ,提高步進電機的運行性能 ? 圖 31 三相混合式步進電動機控制系統(tǒng)框圖 hybrid stepping motor control system block diagram 系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu) 如圖 31 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)動電路和控制信號接口電 路 ?構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字三相混合式步進電機脈沖細分驅(qū)動系統(tǒng) ?其中的 X25040 是帶有 EEPROM 的 SPI 芯片 ,用來當系統(tǒng)非正常斷電時 ,記錄系統(tǒng)關(guān)鍵的運行參數(shù) ?圖 32 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相電流 。DSP 輸出的 IPM 控制信號經(jīng)電平匹配電路后直接送到 18 IPM 驅(qū)動信號端口 ,沒有采用隔離措施 ? 圖 32 控制部分與功率部分接口電路框圖 section and power part of the interface circuit diagram 數(shù)字信號處理器簡介 本系統(tǒng)采用了美國德州儀器公司 (TI)生產(chǎn) TMS320LF2403A 數(shù)字信號處理器 ,它是 TI 公司推出的高性能 16 位定點數(shù)字信號處理器 ,是專門為電機的數(shù)字化控制而設(shè)計的 ,特別適用于電機的高性能控制 ?它具有 DSP 的信號高速處理能力及適用于電機控制的優(yōu)化外圍電路于一體 ,且價格便宜 ,大大減小了控制系統(tǒng)的體積 ,提高了系統(tǒng)的性價比 ?TMS320LF2403A 采用增強的哈佛結(jié)構(gòu) ,四級流水線操作 ,在 40MHz內(nèi)部時鐘頻率下 ,指令周期僅為 25ns?并且內(nèi)部具有硬件乘法器 ,完成一條 16 位乘 16 位的乘法指令只需一個指令周期 ?其內(nèi)部具有鎖相環(huán)電路 ,使其外部只要提供 10MHz 的時鐘信號 ,通過軟件設(shè)置就可產(chǎn)生所需的 CPU 時鐘 ? 片內(nèi)的雙口 RAM 區(qū)允許一個指令周期內(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 8通道轉(zhuǎn)換精度為 10位的高速 A/D轉(zhuǎn)換 19 器 ,轉(zhuǎn)換時間可靈活的通過編程設(shè)置 ,最短僅為 500ns,非常適合實時性控制的需要 ?片內(nèi)優(yōu)化的單個事件管理器是為設(shè)計者提供的實 現(xiàn)完整的高性能電機控制方案的關(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)動各種類型的電機 ?其事件管理器包含了 2個具有四種工作方式的定時器及 3 個比較器 ,并輔以靈活的波形發(fā)生邏輯 ,可產(chǎn)生 6 路 PWM 輸出 ?它支持對稱的和非對稱的 PWM 生成能力及空間矢量 PWM 以實現(xiàn)功率開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化 ?下面將 TMS320LF2403A 的一些主要技術(shù)特性概括如下 : 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù) ,使得供電電壓降為 ,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的實時控制能力 ? 單個的事件管理器包括 2 個 16 位通用定時器 ,8 個 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 ?無刷直流電機 ?開關(guān)磁阻電機 ?步進電機 ?多級電機和逆變器 ? 一個不可屏蔽中斷 (NMI),1 個外部中斷 ,6 個按優(yōu)先級獲得服務(wù)的可屏蔽中斷 ,而且這 6個中斷級都可以被很多外設(shè)中斷請求共享 ? 八個輔助寄存器和一個用于數(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)換時間為 500ns,并且具有自動排序的能力 ?一次可執(zhí)行最多 8 個通道的自動轉(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 ? 控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 模塊 ? 基于鎖相環(huán) (PLL)的時鐘模塊和看門狗模塊 (WDT) ? 電源管理包括 3 種低功耗模式 ,能獨立的將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式 ? 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的模式等參數(shù) ?由于 TMS320LF2407A 的 I/O 口有限 ,但它有 8 個 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 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 33 所示的撥碼開關(guān)電路 ?這樣做只需 4 個 A/D 采樣通道就可以完成控制系統(tǒng)的 16 種細 20 分選擇 ?16 種相電流選擇和信號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)計電路的時候要注意撥碼開關(guān)右側(cè)電阻值的選取 ,并且在軟件設(shè)計中也要采取相應(yīng)的措施 ? 電流采樣和過流保護電路 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 ?準確地知道繞組中實際電流信號 ,以實現(xiàn)電流閉環(huán)控制和電流保護電路的設(shè)計 ,為此需要對電流信號進行采樣 ?電流采樣必須實時 ?準確和可靠 ,有時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 ,因為它的原 ?副邊采用磁耦合 ,故可以實現(xiàn)被測電路與控制電路的隔離 ?互感器 用于測量正弦電流 ,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 ,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 ,將難以準確測量電流的瞬時值 ? 圖 33 控制器參數(shù)選擇電路