五相混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)研究
| 步進(jìn)電動機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移（角位移和線位移）的機(jī)電執(zhí)行元件。它的機(jī)械位移與輸入的數(shù)字脈沖有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，數(shù)字脈沖輸入越多，位移越大；輸入脈沖的頻率越高，機(jī)械位移速度就越快。步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)的性能除了與電動機(jī)本身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于使用的驅(qū)動器的驅(qū)動方式。五相混合式步進(jìn)電動機(jī)是步進(jìn)電動機(jī)的主要產(chǎn)品之一，在各領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，下面就其驅(qū)動器用到的驅(qū)動技術(shù)作一介紹。 1 恒流斬波控制 這種驅(qū)動技術(shù)的特點(diǎn)是直流供電電壓直接加到逆變橋上，且電壓不變化。其基本思想是利用繞組電流檢測值（相電流或線電流，取決于是五相全橋還是五相半橋驅(qū)動）與給定值比較，結(jié)果去控制橋臂上功率管的開關(guān)，使繞組電流保持給定值。電流控制常采用恒頻斬波控制。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：步進(jìn)電機(jī)高頻運(yùn)行性能好、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、效率高、電機(jī)帶載能力強(qiáng)：缺點(diǎn)是低速運(yùn)行時繞組電流前沿太陡致使電機(jī)低頻運(yùn)行效果差，有明顯的低頻震動。 2 恒總電流調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動 圖1是這種技術(shù)的供電主電路。其特點(diǎn)是加到逆變橋上的直流電壓不是固定的，隨輸入脈沖頻率而變化，升頻時升壓。總電流的恒定通過電壓變換器斬波管的PWM控制來實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行時，電機(jī)繞組的旋轉(zhuǎn)反電壓很小，通過電流反饋，電壓變換器輸出到逆變橋上的直流電壓自動降低，維持總電流恒定。電壓降低使電機(jī)繞組電流前沿變緩，減小了步進(jìn)電機(jī) 單步運(yùn)行的過沖量和低頻振蕩，提高了低速運(yùn)行的平穩(wěn)性。缺點(diǎn)是電源主電路的慣性濾波環(huán)節(jié)降低了系統(tǒng) 的動態(tài)性能和步進(jìn)電機(jī)的起動頻率。  3 電流開環(huán)式PWM升頻升壓驅(qū)動 該方法的電源主電路如圖2所示，該驅(qū)動方式也是采用升頻升壓控制技術(shù)來降低電機(jī)低頻運(yùn)行時的振動，但在控制形式上與恒總電流升頻升壓驅(qū)動技術(shù)有很大不同，一是電流開環(huán)；二是電壓變換器斬波管用與步進(jìn)電動機(jī)輸入脈沖頻率成一定函數(shù)關(guān)系的PWM脈沖來控制，以實(shí)現(xiàn)逆變橋直流電壓／頻率的協(xié)調(diào)控制。技術(shù)應(yīng)用上要注意的是：因電流開環(huán)，逆變橋直流電壓／頻率的協(xié)調(diào)控制是以限制步進(jìn)電機(jī)繞組電流不超過其額定值為原則。用該方法實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動器特點(diǎn)是：步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行時逆變橋直流電壓很小，電機(jī)運(yùn)行相當(dāng)平穩(wěn)；另外，因無電流反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡化。不足是：針對不同規(guī)格型號、不同廠家的步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動器逆變橋直流電壓／頻率控制規(guī)律要調(diào)整，增加了具體使用的復(fù)雜性；由于電流開環(huán)，一方面電機(jī)繞組電流易受F／V和PWM電路中所用元件參數(shù)變化的影響，另一方面步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行時逆變橋上的直流電壓很小使得電機(jī)的快速響應(yīng)性能下降。  4 升頻升壓結(jié)合恒流控制技術(shù) 這種方法是近年出現(xiàn)的，它綜合恒流斬波控制和電流開環(huán)式PWM升頻升壓驅(qū)動技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將電流控制技術(shù)與升頻升壓技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起。圖3是該方法的原理框圖，它由F／V、電壓檢測、比例積分調(diào)節(jié)（PID）、直流斬波構(gòu)成閉環(huán)的升頻升壓控制環(huán)節(jié)；由電流檢測和電流控制構(gòu)成電流控制環(huán)節(jié)，并在一定頻率范圍內(nèi)使電機(jī)繞組電流隨電機(jī)運(yùn)行速度提高而提高，實(shí)現(xiàn)升頻升流控制以改善步進(jìn)電機(jī)高頻運(yùn)行性能。該控制方法的橋路直流電壓／頻率函數(shù)關(guān)系與單純的電流開環(huán)式升頻升壓驅(qū)動控制技術(shù)不同的是：該函數(shù)關(guān)系不再是由限制繞組電流的幅值來確定，而是根據(jù)對電機(jī)快速性要求和對電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的考慮折衷確定。系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：閉環(huán)的升頻升壓控制，電機(jī)低頻運(yùn)行平穩(wěn)的同時消除了外界環(huán)境（如電網(wǎng)電壓）對驅(qū)動器輸出的影響；電流閉環(huán)升頻升流控制，提高了驅(qū)動器的快 速性能和對電機(jī)的適應(yīng)性。  5 新五邊形繞組聯(lián)接的恒流斬波恒總電流驅(qū)動技術(shù) 這種方法******的特點(diǎn)不在于驅(qū)動技術(shù)本身，在于電機(jī)繞組采用了新的五邊形聯(lián)接。減小步進(jìn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的諧波分量或增加系統(tǒng)的阻尼是消除或抑制步進(jìn)電機(jī)振蕩的兩個根本。電機(jī)繞組采用不同聯(lián)接方式，它的電磁阻尼特性會產(chǎn)生相應(yīng)變化［1］。正是基于這一研究，文獻(xiàn)［2］提出了五相繞組按A→C→E→B→D首尾串聯(lián)的新五邊形驅(qū)動方式。傳統(tǒng)的A→B→C→D→E首尾串聯(lián)五邊形聯(lián)接，在不考慮繞組互感的情況下，各相繞組電流是獨(dú)立的，而新五邊形聯(lián)接的五相繞組電流相互關(guān)聯(lián)，能產(chǎn)生較大的電磁阻尼力矩，電機(jī)在整個運(yùn)行頻率范圍內(nèi)沒有振蕩區(qū)［2］，優(yōu)良的運(yùn)行平穩(wěn)性是新五邊形聯(lián)接驅(qū)動的******優(yōu)點(diǎn)。 6 細(xì)分驅(qū)動技術(shù) 細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是將步進(jìn)電機(jī)的一個步距角細(xì)分成若干步，步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)因此可獲得更高的分辨率，更小的脈沖當(dāng)量，同時可明顯減小或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動和噪聲。五相步進(jìn)電機(jī)相數(shù)多，對其實(shí)現(xiàn)細(xì)分（或任意細(xì)分）驅(qū)動，電路實(shí)現(xiàn)上較復(fù)雜，目前在國內(nèi)還沒有看到這方面技術(shù)的應(yīng)用報(bào)道，國外已有了產(chǎn)品，如日本RORZE公司的RD－053MS（******細(xì)分?jǐn)?shù)達(dá)400，對應(yīng)最小細(xì)分步距角為0．0018°），TAMAGAWA公司的AU9116和AU9151。細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是一種步進(jìn)電機(jī)相電流波形控制技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)步距角任意細(xì)分的實(shí)現(xiàn)，需在電機(jī)內(nèi)建立均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，各相繞組的合成磁勢矢量應(yīng)在空間作幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，就五相步進(jìn)電機(jī)來說，需在其五相繞組中分別通以相位上相差2π／5而幅值相同的正弦電流。采用電流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動是步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。 |
