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文檔簡介
1、三相混合式多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計 1、前言 步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)伺服運(yùn)動系統(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)就是價格低廉,并且無積累誤差。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)動器有密切的聯(lián)系,可以通過驅(qū)動技術(shù)的改進(jìn)來克服步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)。相對于其他的驅(qū)動方式,細(xì)分驅(qū)動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
2、低頻振動,使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻??傮w來說,細(xì)分驅(qū)動的控制效果最好。因?yàn)槌S玫投瞬竭M(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)沒有編碼器反饋,所以隨著電機(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來實(shí)現(xiàn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)控制。 2、細(xì)分原理 步
3、進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講是通過對步進(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,各相繞組的合成磁場矢量,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,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)
4、生的感應(yīng)電流對轉(zhuǎn)子磁場的影響可忽略不計。在結(jié)構(gòu)上,它相當(dāng)于一種多極對數(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.電機(jī)定子三相繞組完全對稱; b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計; c.激磁電流無動態(tài)響應(yīng)過程。圖1 三相永磁同步電機(jī)的簡單結(jié)構(gòu)模型 U、V、W 為定子上的3 個線圈繞組,3 個線圈繞組的軸線成 120
5、176;。電機(jī)單相繞組通電的時候,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,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)
6、0; 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,theta=wt,則三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩為: T=TU+TV+TW=3/2*
7、k*I*sin(PI/2-wt+theta)=3/2*k*I 以上分析表明,對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,由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場,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,它們按固定時序分別流過三路繞組,其每個階梯對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一步。通過改變驅(qū)動器輸出正弦電流的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,而輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過的角度,當(dāng)角度越小的時候,那么其階梯數(shù)就越多,即細(xì)分就越大,從理論上說此角度可以設(shè)得
8、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,所以每一步轉(zhuǎn)過的角度僅為0.144度,而此方法控制的步進(jìn)電機(jī),比如其細(xì)分?jǐn)?shù)為10000,則每一步轉(zhuǎn)過的角度為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)動時,電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢,頻率越高,反向電動勢越大。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,通過恒流方式可以使在電機(jī)低頻和高頻時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,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
9、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,第三相繞組的給定信號可由其它兩相求得。同樣,只需要對相應(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)動器的系統(tǒng)構(gòu)成 驅(qū)動器的總體方案如圖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)動電路組成。圖3 驅(qū)動器的整體框圖&
10、#160; 3.1 DSP模塊設(shè)計 在這里,我們選擇了TI公司的DSP作為CPU芯片,DSP(Digital Signal Processor)實(shí)際上也是一種單片機(jī),它同樣是將中央處理單元、控控制單元和外圍設(shè)備集成到一塊芯片上。但它又有自身鮮明的特點(diǎn)因?yàn)椴捎昧硕嘟M總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行的機(jī)機(jī)制,從而大大提高了運(yùn)算速度,具有更強(qiáng)的運(yùn)算能力和更好的實(shí)時性。本文選用的DSP(TMS320LF2407A)是一款電機(jī)控制專用芯片,144引腳,具有豐富的IO資源,含有四個通用定時器,具有兩路專用于控制三相電機(jī)的PWM發(fā)生器(可產(chǎn)生六路PWM信號),另外還有專用接收外部脈沖和方向的I/O口,從而簡化了電路設(shè)計和程序開發(fā)。 DSP輸入信號包括步進(jìn)脈沖信號CP、方
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