用諧波反電勢(shì)實(shí)現(xiàn)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制
張勁松，王宗培，徐殿國(guó)
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱15 0001)
摘要：研究了利用諧波反電勢(shì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制的方法，分析了諧波反電勢(shì)信號(hào)的構(gòu)成，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的位置信號(hào)檢測(cè)電路及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上通過(guò)控制超前角改善電機(jī)的運(yùn)行性能。
關(guān)鍵詞：混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，諧波反電勢(shì)，自同步運(yùn)行，超前角
中圖分類號(hào)：tm383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2000)01-0017-04
1 引 言
在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率是由信號(hào)源給定的，不受系統(tǒng)負(fù)載變化的影響。對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相繞組的外加電壓與旋轉(zhuǎn)電勢(shì)之間的相位差隨著負(fù)載的大小而變化。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，系統(tǒng)往往會(huì)因?yàn)殡姶拍芰窟^(guò)剩產(chǎn)生轉(zhuǎn)子振蕩，消耗過(guò)剩的電磁功率；而在負(fù)載較大時(shí)，會(huì)因?yàn)殡姶拍芰坎蛔闶闺姶帕匦∮谑茌d力矩而失去同步。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，以轉(zhuǎn)子位置的特定信號(hào)控制繞組進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)環(huán)運(yùn)行所存在的振蕩與失步的問(wèn)題。就開(kāi)環(huán)運(yùn)行本身而言，外加電壓與旋轉(zhuǎn)電勢(shì)相位差隨負(fù)載的大小而變化是一種電磁能量的自調(diào)節(jié)，但有時(shí)因?yàn)樨?fù)載慣性很大或負(fù)載突跳等因素也會(huì)造成不穩(wěn)定運(yùn)行。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自同步閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)中，用位置信號(hào)控制相序轉(zhuǎn)換，使旋轉(zhuǎn)電勢(shì)與外加電壓的相位保持一定的差值，通過(guò)運(yùn)行速度的變化來(lái)調(diào)整電磁力矩和負(fù)載力矩的平衡關(guān)系。本文主要介紹利用諧波反電勢(shì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)四相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置閉環(huán)自同步運(yùn)行的方法。基于時(shí)間延遲的控制思想，系統(tǒng)采用微處理器靈活、方便地控制超前角，改善電機(jī)的運(yùn)行性能。
2諧波反電勢(shì)信號(hào)的分析
文獻(xiàn)[1]提出了一種利用諧波反電勢(shì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的新方法，推導(dǎo)出諧波反電勢(shì)的表達(dá)式如下：
式(1)中第一頊為轉(zhuǎn)子永磁作用的結(jié)果，與電機(jī)的通電狀態(tài)無(wú)關(guān)，后兩項(xiàng)是定子繞組勵(lì)磁產(chǎn)生的影響。由于am+2ao》2a4，因此第三頊的8次諧波幅值很小�？梢�(jiàn)，傳感器的輸出信號(hào)是兩個(gè)正、余弦4次諧波信號(hào)的疊加，其中的余弦成分與定子繞組電相電流的幅值有關(guān)。當(dāng)定子繞組開(kāi)路，電機(jī)被拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組相電流，-0使傳感器的輸出僅含式(1)中的第一項(xiàng)。它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，其幅值和周期隨轉(zhuǎn)速而變（如圖1所示）。
當(dāng)電機(jī)通電運(yùn)行時(shí)，由于im隨頻率的升高逐漸減小，因此余弦成分所占的比例也逐漸變小。圖2為電機(jī)以4拍4-4通電方式運(yùn)行時(shí)，不同頻率下外加脈沖信號(hào)與傳感器輸出信號(hào)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖2可見(jiàn)，低頻時(shí)傳感器輸出信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)基本與外加脈沖信號(hào)的上升沿同相；當(dāng)頻率升至2khz時(shí)，傳感器輸出信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)超前外加脈沖信號(hào)r/2電角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性，也為電機(jī)閉環(huán)控制時(shí)有效、方便地調(diào)節(jié)超前角提供了依據(jù)。
3位置信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
傳感線圈提取的反電勢(shì)信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)環(huán)形分配器，需將正弦波信號(hào)變換成脈沖信號(hào)，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器整形后作為位置與速度信號(hào)，其電路如圖3所示。
圖3中以比較器lm393為核心構(gòu)成了具有滯回特性的單電源檢零電路�？勺冸娮鑦rz從輸出端引一個(gè)電阻分壓支路到比較器的同相輸入端，使過(guò)零輸出離開(kāi)零的位置，出現(xiàn)滯回特性，以避免比較器的輸入電壓恰好在過(guò)零附近，由于零點(diǎn)溫漂的存在其輸出將有多個(gè)正負(fù)極性的極限電壓出現(xiàn)，造成多個(gè)假零點(diǎn)。調(diào)節(jié)vrz可以改變回差的大小，解決回差引起的測(cè)量精度和零引起的不稔定的矛盾。電容cl用于提高輸出電平的轉(zhuǎn)換速度。保護(hù)二極管d1用于防止輸入小于-0. 6v。電位器vri用于節(jié)比較電平的值，為減小檢零誤差應(yīng)選擇vr1≤r4/10.555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路用于去除脈沖前沿的抖動(dòng)，以避免電機(jī)運(yùn)行中的誤動(dòng)作。 |
