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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流步进电机驱动器的设计.精品文档.1 绪 论 1.1 引言 步进电动机一般以开环运行方式工作在伺服运动系统中，它以脉冲信号进行控制，将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。步进电动机可以实现信号的变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。由于其控制系统结构简单，控制容易并且无累积误差，因而在 20世纪70 年代盛行一时。80 年代之后，随着高性能永磁材料的发展、计算机技术以及电力电子技术的发展，矢量控制技术等一些先进的控制方法得以实现，使得永磁同步电机性能有了质的飞跃，在高性能的伺服系统中逐渐处于统治地位。相应的，步进电机的缺点越
2、来越明显，比如，其定位精度有限、低频运行时振荡、存在失步等，因而只能运用在对速度和精度要求不高，且对成本敏感的领域。技术进步给步进电动机带来挑战的同时，也带来了新的发展遇。由于电力电子技术及计算机技术的进步，步进电动机的细分驱动得以实现。细分驱动技术是 70 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。实践证明，步进电机脉冲细分驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。由于电机制造技术的发展，德国百格拉公司于 1973 年发明了五相混合式步进电动机，又于 1993 年开发了三相混合式步进电动机。根据混合式步进电动机的结构特点，可以将交流
3、伺服控制方法引入到混合式步进电机控制系统中，使其可以以任意步距角运行，并且可以显著削弱步进电机的一些缺点。若引入位置反馈，则混合式步进电机控题正是借鉴了永磁交流伺服系统的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步进电机驱动器。1.2 步进电机及其驱动器的发展概况按励磁方式分类，可以将步进电动机分为永磁式（PM） 、反应式（VR）和混合式（HB）三类，混合式步进电动机在结构和原理上综合了反应式和永磁式步进电动机的优点，因此混合式步进电动机具有诸多优良的性能，本课题的研究对象正是混合式步进电机。20 世纪 60 年代后期，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的
4、应用。在近 30 年间，步进电动机迅速的发展并成熟起来。从发展趋势来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。特别是混合式步进电动机以其优越的性能（功率密度高于同体积的反应式步进电动机 50）得到了较快的发展。其中，60 年代德国百格拉公司申请了四相（两相）混合式步进电动机专利，70 年代中期，百格拉公司又申请了五相混合式步进电动机及驱动器的专利，发展了性能更高的混合式步进电动机系统。这个时期各个发达工业国家建立了混合式步进电动机规模生产企业。此外，1993 年，也就是五相混合式步进电动机及驱动器专利到期之时，百格拉公司又申请了三相混合式步进
5、电动机的专利。步进电机具有以下优点：（1）步距值不容易受各种干扰因素的影响。它的速度主要取决于输入脉冲的频率，转子运动的总位移取决于输入的脉冲总数，相对来说，电压大小、电流数值和温度的变化等因素不影响步距值；（2）无位置累积误差。步进电动机每走一步的实际步距值与理论值总有一定的误差，走任意步数之后也总有一定误差，但是因每转一周的累计误差为零，所以步距值的误差是不累积的；（3）控制性能好。改变通电顺序，就可以方便的控制电动机正转或反转，起动、转向、制动、改变转速及其他任何运动方式的改变都可以在少数脉冲内通过改变电脉冲输入就能控制，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步；（4）步进电
6、机还有自锁能力，当步进电机停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续保持通电时，则电动机可以保持在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，能够实现停车时转子定位。因此，步进电机在机械、冶金、电力、纺织、电信、仪表、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天等工业领域获得了广泛的应用。例如机械行业中，在数控机床上的应用，可以算是典型的例子。可以说步进电动机是经济型数控机床的核心。我国的步进电机行业起步较早，但大多都是反应式步进电动机，直到目前，仍有许多国内用户使用反应式步进电机。混合式步进电机的特点是效率高、力矩大、运行平稳、高频运行时矩频特性好，在发达国家中，越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式
7、步进电机，步进电机驱动技术的发展也十分迅速。我国步进电机的应用虽然起步较早，但其驱动技术的发展相对落后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。国内仍有不少用户沿用己被国外淘汰的单电压串电阻等落后的驱动方式，驱动器电路中使用分立元件居多，可靠性差，且各厂家的驱动技术规范、技术等级、生产工艺参差不齐。目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩下降较小。1-3 步进电机驱动技术的进步离不开电力电子技术和微机控制技术的发展。交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速系统的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技
8、术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。电力电子器件及微处理器是高性能交流传动系统和现代电力电子设备的核心。电力半导体器件以开关阵列的形式应用于电力变流器中，把相同频率、或者是不同频率的电能进行交-直（整流器）、直-直（斩波器）、直-交（逆变器）和交-交变换。电力电子器件经历了以下几个发展阶段：第一个阶段是20 世纪 80 年代中期以前，是以门极不可关断的晶闸管（Thyristor）为代表的半控型器件，这种在 20 世纪 50 年代晚期出现的器件使得固态电力电子器件进入了一个新纪元。晶闸管主要用于直流电动机的驱动器中，必须配以辅助换流措
9、施才能实现可靠的换流，控制线路复杂、效率低、可靠性差，而且开关频率低，使得变频电源中含有大量的谐波分量，转矩脉动大、噪声大及发热严重。第二个阶段是 20 世纪 80 年代中期到 90 年代，是以门极可关断晶闸管（GTO）、双极型晶体管（BJT）、电力场效应晶体管（P-MOSFET）等为代表的全控型器件。如今 GTO 产品的额定电流、电压已超过 6kA、6kV，在 10MViA 以上的特大型电力电子变换装置中已有不少应用，但其为电流驱动，故所需的驱动功率较大；BJT已模块化，在中小容量装置中得到推广，但其驱动功率较大，开关速度慢，影响了逆变器的工作频率和输出波形；MOSFET 开关速度快，驱动功
10、率小，电压型控制，但器件功率等级低，导通压降大，限制了逆变器的容量。第三个阶段是 20 世纪 90 年代，是以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型功率器件，主要特点为门极电压控制，故其所需驱动功率较小。IGBT 结合了MOSFET和 BJT的优点，具有高开关频率，门极电压驱动，不存在二次击穿问题，无需吸收电路，又具有 BJT大电流密度，低导通压降的特性。新一代的智能功率模块（IPM）集功率器件 IGBT、驱动电路、检测电路和保护电路于一体，实现过流、短路、过热、欠压保护，模块包含三相桥逆变器，从而使装置体积缩小，可靠性提高。20 世纪 90 年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，
11、这里只介绍一下电力半导体家族中的最新成员集成门极换向晶闸管（Integrated gate-commutated thyristor），它是ABB公司于1997年发明的，它基本上是一种高压、大功率、非对称截止 GTO 晶闸管，其关断电流增益为1，可见其驱动功率之小。该器件的导通压降、开通di/dt、门极驱动损耗、少数载流子存储时间和关断dv/dt据称都优于GTO晶闸管。器件更快的开关速度使得无缓冲器运行成为可能，也使其开关频率高于GTO晶闸管。多个 IGCT 可以串联或并联成更高功率的应用。该器件已经用于电力系统的联网设备（100MViA）和中等功率（高达5MW）工业传动中。4-6全数字化是交
12、流调速系统的发展趋势。交流调速系统最初多为模拟电子电路组成，由于模拟电路固有的弊端，决定了很多控制算法很难在系统上实现。近几十年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器（DSP）为控制核心的计算机控制技术的飞速发展和广泛应用，许多复杂的控制算法得以实现，如矢量控制中的复杂坐标变换、解耦控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，这些是模拟电路无法做到的，可以毫不夸张的说以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。常用于交流调速系统的微处理器简介如下。(1). 单片机。一片单片机芯片就是一台微型计算机，其上集成有用户需要的一些外设，如定时/计数器、D/A、A/D
13、等，这样就大大缩小了控制器的体积，降低了成本，提高了可靠性。然而单片机对大量数据的处理能力有限，因此只用于一些对性能要求不高的场合。(2). 数字信号处理器（DSP）。为了提高运算速度，在20世纪80年代出现了数字信号处理器，其上一般集成有硬件乘法器、时钟频率很高，一些高性能的DSP 还支持浮点运算。世界各大 DSP生产商还推出了集成有PWM 生成硬件、A/D、正交编码电路等专门针对于电机控制的DSP 芯片，常见的如 TI 公司的 C2000系列。电机控制专用的 DSP芯片使控制系统硬件简化，性能和可靠性得到了空前的提高。(3). 高级专用集成电路（ASIC）。ASIC也称为适合特定用途的 I
14、C，是能完成特定功能的专用芯片。 例如用于交流变压变频用的SPWM波发生器HEF4752 （英国Mullard公司产品，适用于开关频率 1kH 以下 ）、SLE4520（德国西门子公司产品，适用于开关频率 20kH以下）。现代高级专用集成电路的功能远远超过一个发生器，往往能够包括一种特定的控制系统，例如，德国应用微电子研究所（IAM）1994 年推出的VECON，是一个交流伺服系统的单片矢量控制器，包括控制器，能完成矢量运算的 DSP 协处理器、PWM 定时器，以及其他外围和接口电路，都集成在一片芯片之内，使可靠性大幅度提高。2 混合式步进电动机的原理及其驱动控制 三相混合式步进电动机与反应式
15、和永磁式步进电动机相比，具有很多优点，获得了越来越广泛的应用。电流闭环、三相正弦电流驱动是三相混合式步进电动机常用的驱动方式。 2.1 三相混合式步进电动机的结构和工作原理 2.1.1 三相混合式步进电动机的结构 混合式步进电动机是一种十分流行的步进电动机。它既有反应式步进电动机的高分辨率，每转步数比较多的特点，又有永磁式步进电动机的高效率，绕组电感比较小的特点，故称混合式。图2-1 给出了三相混合式步进电动机的内部结构图及其定子结构图。从结构上看，它的定子通常有多相绕组，定、转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电动机。转子上有永久磁铁产生的轴向磁场，这与永磁式步进电动机相似。图2-1三相混合式
16、步进电机内部结构图及定子示意图Fig.2-1Three-phase hybrid stepping motor and the stator internal schematic diagram混合式步进电动机的转子一般由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子的铁心外圆周有均匀分布的小齿，两段铁心上面的小齿沿圆周相互错开半个齿距。定、转子小齿的齿距通常相同。一段转子的磁力线沿转子表而呈放射形进入定子铁心，称为 N极转子，另一段转子的磁力线是从定子沿定子表面穿过气隙回归到转子中去的，称为 S极转子。可见，通过转子分段错齿和转子轴向永磁励磁，三相混
17、合式步进电机在结构上巧妙的实现了多极对数永磁凸极同步电机的思想，从原理上讲是低速凸极永磁同步电机。可见，混合式步进电动机既可以用作同步电动机进行速度控制，又可以用作步进电动机进行位置开环控制。7-92.1.2 三相混合式步进电动机的工作原理 图 2-2 给出了一台简单的三相混合式步进电动机的横截面示意图。图中三相混合式步图2-2三相混合式步进电动机示意图Fig.2-2Three-phase hybrid stepping motor diagram进电动机的定子为三相六极，三相绕组分别绕在相对的两个磁极上，且这两个磁极的极性是相同的。它的每段转子铁心上有八个小齿，两段铁心上的小齿相互错开半个齿
18、距。从电动机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻磁极与转子齿的轴线就错开1/3齿距。混合式步进电动机的气隙磁动势由转子永磁体产生的磁动势 Fr 和定子绕组电流产生的磁动势 Fs 组成。在电机运行过程中，随着绕组中通入的电流方向的变化，这两种磁动势有时是相加的，有时又是相减的，转子磁动势与定子磁势相互作用，产生电磁转矩。当A相绕组通电时，转子处于图 2-2 中所示的稳定平衡位置，此时与N 段转子铁心相对的定子 A 相极下气隙磁导最大，与 S 段转子铁心相对的定子 A 相极下气隙磁导最小。当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时，例如转子向顺时针方向转了一个小角度 ，则定子与两段转子齿
19、的相对位置及作用转矩的方向如图 2-3 所示。可以看到，两段转子铁心所受到的电磁转矩方向相同，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。绕组的通电状态改变，电动机的稳定平衡位置也改变，在电磁转矩的作用下，转子将转到新的平衡位置。上面说的是单相通电时的情况，但是为了增加电机的输出转矩，提高电机绕组利用率，在三相混合式步进电动机的应用中，一般采用三相同时通电的控制方式。图2-4给出了三相混合式步进电动机三相同时通电时绕组电流状态示意图， 图 2-4a 到图2-4f中的转子位置分别与图2-4g中t1至t6时刻的绕组通电状态相对应。每相绕组的电流在每个周期内共上面说的是单相通电时的情况，但是为了增加电机的输出
20、转矩，提高电机绕组利用率，在三相混合式步进电动机的应用中，一般采用三相同时通电的控制方式。图2-4给出了三相图2-3 A相绕组通电时转子偏离平衡位置的受力图Fig.2-3A rotor winding energized by trying to deviate from the equilibrium position混合式步进电动机三相同时通电时绕组电流状态示意图， 图 2-4a 到图2-4f中的转子位置分别与图2-4g中t1至t6时刻的绕组通电状态相对应。每相绕组的电流在每个周期内共有三个状态，电流变化一个周期，转子旋转一周。此时电机每转的步数 S可由式（2-1）得到。 S=k*m*Z
21、(2-1)式中，k 为电动机每转电流状态变化的次数；m 为电机的相数；Z 为电机齿数。对于三相混合式步进电动机，设转子有 50 个齿，根据式（2-1）和图 2-4 可以计算出此时电机每转步数S为：S=4*3*50=600 (2-2)若电机每转一周，相电流只有两个状态，即电机绕组只有正、负通电状态，无零电流状态，根据式（2-1），可得电机每转步数为 300。可见，通过增加绕组通电状态数可以使混合式步进电动机的步距角减小，增加走步精度，对于减小混合式步进电动机运行过程中的振动有很大的作用。其实，这个例子也暗含了混合式步进电动机细分控制的基本原理，细分控制是目前最有效的减小步进电动机振动的方法，后面
22、将会给出详细的介绍。2.2 步进电动机应用中要注意的问题 当选用步进电动机作为系统的执行元件时，一定要了解步进电机的技术参数，特别是其矩频特性。步进电机输出转矩随转速升高而下降，选型时一定要参考矩频特性曲线图，图2-4三相同时通电半步运行时绕组电流示意图Fig.2-4Three-phase power half a step while running winding current diagram根据设备运动速度和加速度，计算好所需工作转矩和转动惯量。步进电动机的选用主要考虑以下几个指标：1-3(1).步距角：每给定一个电脉冲信号，电动机转子所应该转过角度的理论值，步距角越小，分辨率越高。其
23、计算公式如下：= (2-3)式中,Z为转子的齿数，N为转子转过一个齿距的运行拍数。 (2).步进电机的转速n。若步进电动机所加的控制脉冲频率为f，则步进电动机的转速为： n= (2-4)可见步进电机转速的高低，取决于输入到步进电机驱动器的脉冲频率的高低。步进电动机在不失步、不丢步的前提下，其转速和转角与电压、负载、温度等因素无关，因而步进电动机可直接采用开环控制，简化控制系统。(3).最大空载起动频率。电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率，起动频率越高，则电机快速响应性能越好。图2-5 90BYG350C型电机的矩频特性图Fig.2-5 90BYG3
24、50C type motor moment frequency response plots(4).矩频特性。电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与控制脉冲频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是步进电动机最重要的参数之一，是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。图 2-5为本课题所用的混合式步进电动机（型号为 90BYG350C）的矩频特性图。由图可以看到，该步进电动机的保持转矩为 6Nm，随着转速的升高，其转矩不断减小，当转速达到 1200r/min 时，转矩已不到 1.6Nm。所以选用步进电动机时一定要参考其矩频特性图，不能只看保持转矩或最大静转矩，要根据电机运行工况，考虑一
25、定的裕量。 (5).步进电动机的共振点。步进电机均有固定的共振区域，二、四相混合式步进电机的共振区一般在 180Hz 到250Hz 之间（步距角 1.8 度）或在400Hz 左右（步距角为 0.9 度），电机驱动电压越高、电机电流越大、负载越轻、电机体积越小，则共振区向上偏移。为使电机输出转矩大，避免失步和降低整个系统的噪音，一般要求工作点均偏离共振区。 2.3 步进电动机的振动和失步 步进电动机的振动是其固有的缺点，在上节所说的步进电动机选择标准中就提到，使用步进电动机时一定要考虑电动机的共振点，这样可以人为的让步进电动机运行区域避开步进电动机的共振点，使步进电动机运行的更加平稳、噪声小，避
26、免失步。下面介绍一下步进电动机运行时产生振动的原因。步进电动机在步进状态运行时，转子运动是一衰减振荡过程。电动机在低频步进运行时，定子绕组每改变一次通电状态，转子就前进一个步距角。由于转子的自由振荡，它将不能及时的停留在新的平衡位置。而是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置。每加一次脉冲，进行一次转换，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这样步进电动机在低频步进运行时，类似于一种强迫振荡。当控制脉冲的频率等于或接近于步进电动机振荡频率的 1/k 倍（k1,2,3.）时，电动机就会出现强烈的振动现象，严重的将导致失步或无法工作。当步进电动机在高频脉冲下连续运行时，前一次的振荡尚
27、未达到第一次回摆的最大值，下一个脉冲已经到来。当频率更高时，甚至在前一步振荡尚未达到第一次的峰值就开始下一步，则电机可以连续、平滑地转动，转速也比较稳定。但是当脉冲频率过高，达到或超过最大连续运行频率 fmax时，由于绕组电感的作用，动态转矩下降很多，负载能力较弱，且由于电机的损耗，如轴承摩擦、风摩擦等都大为增加，即使在空载下也不能正常运行。另外，当脉冲频率过高时，矩角特性的移动速度相当快，转子的惯性导致转子跟不上矩角特性的移动，则转子位置距平衡位置之差越来越大，最后因超出动稳区而丢步。10-15由于步进电动机特殊的运行机理，要完全消除其振荡是不可能的，只有采取一定的措施，在一定程度上抑制其振
28、荡，防止发生失步。目前，抑制步进电机振荡的方法主要有:（1）采用细分驱动方式，适当增加细分数；（2）增加阻尼；（3）采用位置或速度闭环控制。其中第三条方法能从根本上解决步进电动机振荡的问题，但此时控制系统较复杂，成本也高。因此在实际应用中一般采用第一条和第二条方法。增加阻尼一般有两种方法：增加机械阻尼和电气阻尼。机械阻尼是增加电机转子的干摩擦阻力或粘性阻力。其缺点是增大了惯性，使电机的速度性能变坏，体积增大。电气阻尼则有多相激磁阻尼、延迟断开阻尼等。其实，从原理上说，细分驱动也就是采用了增加电气阻尼的技术。对于混合式步进电动机，由于其转子中加入了永磁体，因而，混合式步进电动机具有较强的反电动势
29、，其自身阻尼作用比较好，使其在运行过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。从这也可以看到混合式步进电动机的性能要优于反应式步进电动机。2.4 步进电动机的细分驱动技术 2.4.1 传统的步进电机驱动方式 单电压驱动：单电压驱动是指在步进电机绕组上加上恒定的电压，这种驱动方式的电路相当简单。但是当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。为改善高速运行的电机转矩特性，通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的增加电源电压以保持额定电流不变。 但是串入电阻将加大功耗， 降低功放电路的功率，必须具备相应的散热条件才能保
30、证电路稳定可靠的工作。所以这种电路一般仅适合于驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。高低压驱动：高低压驱动电路使用两种电压电源，即步进电机额定电压和比它高几倍的电源电压。当相绕组导通时，加到绕组上的电压为高电压，上升电流具有较陡峭的前沿特性。当电流上升到额定值时，关闭高压电源，用额定电压供电来维持绕组的电流。由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响，易使电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。低频时绕组电流有较大的上冲，所以低频时电机振动较大，低频共振现象仍然存在。斩波恒流驱动：斩波恒流驱动方式的供电电压比电机额定电压高得多，使电流上升和
31、衰减速度很快，通过斩波方式使电机绕组电流在低速到高速运行范围内保持恒电流，从而保持电机输出转矩恒定。但是此种方法线路复杂、低速运行时绕组电流冲击大，使低频产生振荡，运行不平稳，噪声大、定位精度不高。调频调压驱动：随着步进电机运行频率的提高，同时提高功率放大电路的电源电压，以补偿因运行频率上升造成的输出转矩下降。当步进电机的运行频率降低时，同时降低功率放大电路电源电压。因电压随频率而变，故既可增加高频输出转矩，又能避免低频可能出现的振荡。从理论上讲，调频调压驱动基本克服了单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动等电路的不足，矩频特性较好，能够在较宽的频率范围内运行。但是仍然不能利用步进电机实现多种步
32、距角控制，步距角的大小只有有限的几种，步距角已由电机结构所确定。 2.4.2 步进电机的细分驱动技术 以上几种驱动方式都有其弊端，实践证明，恒转矩、等步距角的均匀细分方式是目前最好的细分控制方式。步进电机的细分驱动技术实质上是一种电气阻尼技术，其主要目的是提高电机运转性能，实现步进电动机步距角的高精度细分。步进电动机细分驱动技术首先由美国学者 T. R. Fredriksen于 1975 年在美国增量运动控制系统及器件年会上提出， 在其后的二十多年里， 步进电机脉冲细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到广泛的应用。在减小步进电动机运行过程中的振动起到了很好的效果。如图 2-6 所示，步进
33、电机的细分控制是通过控制步进电机各相绕组中的电流，使其按一定的规律阶梯上升或下降，即每次只改变绕组电流的一部分，从而获得从零到最大相电流的多个稳定的中间电流状态，相应的定子电流产生的磁场矢量也就存在多个中间状态，图2-6三相混合式步进电动机细分驱动时各相电流状态及转矩矢量图Fig.2-6Three-phase Hybrid Stepping Motor Driver with current state and when the torque vector转动。合成磁场矢量的幅值决定了转矩的大小，相邻两条合成磁场矢量的夹角决定了微步距角的大小。相电流变化一个周期，转子转过一个齿距。可见，步进电
34、动机的细分控制从本质上讲，是对步进电动机的定子绕组中电流的控制。最初的步进电动机细分驱动控制只是对电机的绕组电流加以简单的控制，如控制电流均匀上升、下降等，这样简单控制的结果将使细分之后的步距角很不均匀。随着步进电动机细分驱动技术的发展，如何通过改进电动机相电流的控制策略来增加细分的均匀性，提高电机运行的稳定性，减少运动噪音及振动等越来越受到人们的重视，并得了很大进展。本文把交流伺服驱动的思想应用到三相混合式步进电动机驱动系统中，实现了恒转矩、等步距角的均匀细分控制方式。实践证明，恒转矩、等步距角的均匀细分方式是目前最好的细分控制方式，能有效的抑制步进电动机运行过程中的振动、噪声等。在下一节将
35、给出详细的理论分析和相应的控制方案。2.5 三相混合式步进电动机的数学模型及其控制方案 图2-7混合式步进电机 d-q 轴的定义Fig.2-7Hybrid stepping motor the definition of d-q axis每个大极上面均匀的分布着一些小齿。转子一般由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子的铁心外圆周有均匀分布的小齿，两段铁心上面的小齿沿圆周相互错开半个齿距。定、转子小齿的齿距通常相同。可见，通过转子分段错齿和转子轴向永磁励磁，三相混合式步进电机在结构上巧妙的实现了多极对数永磁凸极同步电机的思想，从原理上讲是低速永
36、磁凸极同步电机。三相混合式步进电机的工作原理与普通三相同步电动机的工作原理相似，即由定子绕组产生的旋转磁场以磁拉力拖着永磁体构成的转子同步旋转，定子和转子间通过气隙磁场耦合。由于电动机定子和转子间有相对运动，电磁关系十分复杂，并且步进电机本身又是一类高度非线性的电机，是一个多变量、非线性、强耦合的系统，为了简化分析，在建立三相混合式步进电机的数学模型时，做如下假设：29-35 （1）忽略铁心饱和，不计剩磁影响、不计磁滞损耗和涡流效应，认为磁路是线性的； （2）气隙磁通在空间按正弦分布，即感应电动势（反电动势）是正弦的，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略磁场的高次谐波； （3）不考虑温度、
37、频率变化对电机参数的影响。按照以上条件分析实际电动机，所得结果和实际情况十分接近，可以使用上述假设对电动机进行分析和控制。仿同步电机，定义混合式步进电机的 d 轴位于转子齿中心线上，q 轴沿旋转方向超前 d 轴 90 度电角度，如图 2-7 所示。建立如图2-8 所示的 d-q 同步旋转坐标系，此坐标系随电动机转子以同步转速r 旋转，在此 d-q 坐标系上的三相混合式步进电机的矢量也在图上标出。图中，为电机定子三相电流合成空间矢量is和永磁体励磁磁极轴线（d 轴）之间的夹角，又称转矩角。为 d 轴轴线与 A 相绕组轴线之间的夹角，可推导d-q坐标系下电动机的数学模型如下。定子电压方程：图2-8
38、三相混合式步进电机在 d-q 坐标系上的矢量图Fig.2-8Three-phase hybrid stepping motor in the dq coordinate system on the vector Ud=Rid+Pd-Weq (2-5) Uq=Riq+Pq+Wed定子磁链方程： d=Ldid+f (2-6) q=Lqiq由式（2-5）和式（2-6），可得： Ud=Rid+LdPid-weLqiq (2-7)Uq=Riq+LqPiq+we(Ldid+f)上述公式中ud、uq、id、iq 、d、q分别为 d、q轴上的定子电压、电流及磁链分量；R为定子绕组相电阻； Ld 、Lq 为 d
39、、q轴上的定子电感；e为转子旋转的电角速度；f为永磁体对应的转子磁链；p=d/dt为微分算子。输出的电磁转矩为：Te=Z(diq-qid)=Zfid+(Ld-Lq)idiq (2-8)电动机的机械运动方程为： Te=Tl+Bwr+Jpwr (2-9)上述公式中，Z为混合式步进电动机转子齿数；Te为电磁转矩，Tl为负载转矩；J为电动机转子和所带负载的总转动惯量，B为粘滞摩擦系数；r为电动机转子的机械角速度，其与电角速度间的换算如下： we=Zwr (2-10)由d-q坐标系下的矢量图2-8可得： id=iscos (2-11) iq=issin结合式（2-8）可得电磁转矩： Te=Zfissin
40、+(Ld-Lq)is2sin2 (2-12)式（2-12）括号中，第一项是由定子电流合成磁场与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩，称为主电磁转矩；第二项是磁阻转矩，它是由电动机的凸极效应引起的，并与两轴电感参数的差值成正比。可以看出，混合式步进电动机的电磁转矩的控制取决于对交轴电流iq和直轴电流d的控制。当id=0时，由于f为常数，只要控制iq 就可以线性的控制电磁转矩。仿同步电动机的转子磁链定向控制方式，即在混合式步进电动机的整个运行过程中，始终保持id=0，使定子电流产生的电枢磁动势与转子励磁磁动势间的角度为90o，即保持正交，则定子电流矢量is与 q 轴重合，那么电磁转矩只与定子电流的
41、幅值is成正比，即只与交轴电流 iq成正比，比例系数K=3/2*Zf，从而实现了交轴电流iq和直轴电流id的解耦，达到了矢量控制的目的。此时的电磁转矩可由下式表示： Te=K*iq (2-13)由于电机定子综合电流矢量始终与转子的磁极轴线成90，该方法又称按励磁轴线定向的矢量控制。此时电机所有电流均用来产生电磁转矩，电流控制效率高，且减少了定子铜耗。缺点是随着输出转矩的增加，端电压增加较快，功率因数下降，对逆变器容量要求提高。为保证电流环动态跟随，随着电机转矩升高，外加电压应提高。可见，这种转子磁场定向控制方式比较适合于小容量交流伺服系统。对于有明显凸极效应的混合式步进电动机，其LdLq ，采
42、用这种 id=0的控制方式时，并没有利用凸极效应产生的磁阻转矩，没有充分发挥电机转矩输出能力。这点是id=0的控制方式运用于混合式步进电动机控制系统的不足。2.6 本章小结 本章详细介绍了三相混合式步进电动机的工作原理，建立了三相混合式步进电动机的理想数学模型，提出了相应的控制方案。3 系统的硬件设计混合式步进电机是一种系统电机，电机本体与其控制器密不可分。优秀的电机运行性能只有通过高性能的控制器和先进的控制策略来实现。采用智能功率模块（IPM）和数字信号处理器（DSP）可以使控制器结构简单、性能可靠，可以实现先进的控制方法，提高步进电机的运行性能。图3-1三相混合式步进电动机控制系统框图Fi
43、g.3-1Three-phase hybrid stepping motor control system block diagram3.1 系统硬件的总体结构如图3-1所示，控制电路以，TI 的DSP芯片TMS320LF2403A 为核心，包括电流检测电路、断电记忆关键数据电路、驱动电路和控制信号接口电路。构成功能齐全的全数字三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统。其中的 X25040是带有EEPROM的SPI芯片，用来当系统非正常断电时，记录系统关键的运行参数。图3-2为控制部分与功率部分的接口框图。系统主回路部分采用交-直-交电压源型逆变电路，主要由整流桥、滤波电容及智能功率模块（IPM）组
44、成；采用采样电阻检测电机相电流；DSP输出的 IPM 控制信号经电平匹配电路后直接送到 IPM 驱动信号端口，没有采用隔离措施。图3-2控制部分与功率部分接口电路框图Fig.3-2Control section and power part of the interface circuit diagram3.2 数字信号处理器简介本系统采用了美国德州仪器公司（TI）生产TMS320LF2403A数字信号处理器，它是 TI 公司推出的高性能16位定点数字信号处理器，是专门为电机的数字化控制而设计的，特别适用于电机的高性能控制。它具有DSP的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化外围电路于一体，且
45、价格便宜，大大减小了控制系统的体积，提高了系统的性价比。TMS320LF2403A 采用增强的哈佛结构，四级流水线操作，在 40MHz内部时钟频率下，指令周期仅为25ns。并且内部具有硬件乘法器，完成一条16位乘16 位的乘法指令只需一个指令周期。其内部具有锁相环电路，使其外部只要提供10MHz的时钟信号，通过软件设置就可产生所需的CPU时钟。片内的双口RAM区允许一个指令周期内访问两次，大大提高了数据处理能力，缓解了高速处理器与慢速外围部件之间的矛盾。内含一个8通道转换精度为10位的高速 A/D转换器，转换时间可灵活的通过编程设置，最短仅为500ns，非常适合实时性控制的需要。片内优化的单个
46、事件管理器是为设计者提供的实现完整的高性能电机控制方案的关键。从功能上看，它提供的脉宽调制（PWM）通道及I/O口可以驱动各种类型的电机。其事件管理器包含了2个具有四种工作方式的定时器及 3个比较器，并辅以灵活的波形发生逻辑，可产生 6路 PWM输出。它支持对称的和非对称的PWM生成能力及空间矢量 PWM 以实现功率开关器件开关状态的优化。下面将TMS320LF2403A的一些主要技术特性概括如下：采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗，40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns（40MHz），绝大部分指令为单周期，从而使控制器有很强的实时控制能力。单个的事件管理器包括2个16位通用定时器，8个16位具有内部死区生成逻辑的脉宽（PWM）调制通道。3个捕获单元，片内光电编码器接口电路，8通道A/D转换器。事件管理器适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。一个不可屏蔽中断（NMI），1个外部中断，6个按优先级获得服务的可屏蔽中断，而且这6个中断级都可以被很多外设中断请求共享。八个辅助寄存器和一个用于数据寄存器间接寻址的辅助算术单元。544字片内程序/数据双口RAM（DARAM）和512字的单口RAM（SARAM）。10位A/D