吳 優(yōu)，胡 清

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006)

0 引 言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性能優(yōu)越、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床、儀表自動(dòng)化等領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)往往存在高頻失步和低頻振蕩等問題，這些問題嚴(yán)重制約著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。如何克服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步及振蕩已有很多研究［1－3］。通常采用增大阻尼系數(shù)或采取細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方式，也有采用檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置來確定電機(jī)繞組的最佳換相時(shí)間的方法來抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)不同于其他類型電機(jī)，其內(nèi)部的各個(gè)狀態(tài)變量高度非線性、相互耦合，如果采用閉環(huán)控制不僅較復(fù)雜，而且很難達(dá)到理想的效果。

本文在分析了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步和振蕩產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制方法---- 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，并且結(jié)合一種新型續(xù)流回路的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)證明，本文所采用的方法能有效解決步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩和失步的問題，提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

1 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)法原理與實(shí)現(xiàn)

互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)方法的基本思路是在考慮到繞組電感特性的基礎(chǔ)上，盡量將繞組電感特性這一非線性因素降到最小。這種方式不僅保留了細(xì)分驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，改善低頻振蕩，還提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)換相時(shí)切換效率，提高輸出轉(zhuǎn)矩。

1.1 低頻振蕩分析與處理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)是一個(gè)振蕩衰減的過程，繞組通電狀態(tài)改變一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角［1］。每步進(jìn)一步，轉(zhuǎn)子就在新的平衡位置附近振蕩一次。另外在阻尼不強(qiáng)的情況下，當(dāng)脈沖周期為振蕩周期的整數(shù)倍時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還會(huì)發(fā)生低頻共振現(xiàn)象，如圖1所示。

結(jié)合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，不可能徹底消除振蕩現(xiàn)象，只能采取一些方法，在一定程度上抑制電機(jī)的振蕩，防止電機(jī)失步。目前，抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩的方法主要有:(1)增加阻尼系數(shù);(2)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，如適當(dāng)增加細(xì)分?jǐn)?shù);(3)采用位置閉環(huán)控制方式;(4)脈寬調(diào)整法［1］。本文采用的是基于細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式和增加電子阻尼的驅(qū)動(dòng)方式。

圖1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻振蕩曲線

1.2 繞組電感特性對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響

(1)細(xì)分的理論基礎(chǔ)

通過以上分析，為了改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩問題，提高電機(jī)運(yùn)行平滑性，采用了細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。根據(jù)文獻(xiàn)［4］中推導(dǎo)，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相通電時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可以表示:

此式表明二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性為正弦曲線的特性，這點(diǎn)即是能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制的理論基礎(chǔ)。由式(1)可得給兩相定子施加如下相角關(guān)系的電流:

就能在電機(jī)內(nèi)部構(gòu)成等幅且旋轉(zhuǎn)的電流空間矢量。

(2)繞組電感特性的非線性因素分析

由式(2)可得，要使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部合成磁場(chǎng)是等幅的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則電機(jī)勵(lì)磁繞組中的電流要嚴(yán)格按照式(2)中的正弦曲線變化。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于PWM往往只改變電機(jī)繞組的端電壓(電壓型控制)，而不是直接控制電流值，并且加上電機(jī)各繞組的電感特性以及相互耦合等非線性因素，使得在電機(jī)勵(lì)磁繞組中的電流并不能很好地按照給定正弦曲線變化。

對(duì)于一臺(tái)兩相六線制混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了獲得高頻輸出轉(zhuǎn)矩，采用單級(jí)驅(qū)動(dòng)方式，如圖2所示。這樣就將原本正、負(fù)通電的A組繞組分成正向繞向的A相和反向繞向相，B相繞組也同樣被分成正向繞向的B相和反向繞向的相，實(shí)際上成為一臺(tái)二相四繞組混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)［6］。

圖2 單極驅(qū)動(dòng)原理圖

對(duì)于上述單級(jí)驅(qū)動(dòng)方式，假設(shè)每一相繞組電流變化范圍是0～I(xiàn)max，同時(shí)對(duì)應(yīng)的靜轉(zhuǎn)矩變化為0～Temax。當(dāng)電機(jī)換相時(shí)，以A相為例，其繞組中電流變化趨勢(shì)可簡(jiǎn)單認(rèn)為:

在換相前、后，繞組中電流變化Δi與時(shí)間t正相關(guān)。若能在保證電流變化量Δi不變的情況下，減少換相時(shí)間t，則電機(jī)高頻特性就會(huì)得到改善，從而提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)品質(zhì)。

1.3 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)方式的具體實(shí)現(xiàn)

通過以上分析，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用單極驅(qū)動(dòng)方式，四個(gè)開關(guān)器件工作方式應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件:

(1)T1和T3信號(hào)互補(bǔ)，T2和T4信號(hào)互補(bǔ);

(2)兩組互補(bǔ)信號(hào)相位相差90°。

2 續(xù)流回路

2.1 續(xù)流回路的作用

在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于高頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，時(shí)常失步，力矩下降厲害。究其原因是在電機(jī)換相過程中繞組電流下降速度太慢，導(dǎo)致電機(jī)“殘留”的反向力矩比較大，電流波形發(fā)生畸變，如圖6所示，電機(jī)發(fā)熱，力矩下降。同時(shí)，在不采取任何續(xù)流措施的情況下，繞組中反電動(dòng)勢(shì)非常高，長(zhǎng)時(shí)間工作在此狀態(tài)下會(huì)擊穿MOS管，甚至?xí)碾姍C(jī)。

為了改善電流波形的后沿，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)增加了一個(gè)續(xù)流泄放回路，使繞組中的“殘留”電流通過泄放回路加快泄放，降低電機(jī)發(fā)熱，改善了繞組電流波形，提高電機(jī)高頻輸出轉(zhuǎn)矩，保證功率器件的安全。

2.2 續(xù)流方式選擇與實(shí)現(xiàn)

續(xù)流回路要保證繞組中電流泄放速度適當(dāng)，既不能太慢，也不能太快。電流泄放速度太慢，會(huì)導(dǎo)致高頻轉(zhuǎn)矩輸出不夠;電流泄放太快，又會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相時(shí)繞組中反電動(dòng)勢(shì)太高而擊毀MOS管。所以對(duì)換路時(shí)電流的控制既要保證電機(jī)具有適當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)，避免繞組反電動(dòng)勢(shì)過高，又要使電流變化盡量做到一致，減弱走步輕重不一的現(xiàn)象。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種新的續(xù)流電路，既能使繞組中電流快速泄放，又能使反電動(dòng)勢(shì)保持在一個(gè)較“低”的水平以保護(hù)MOS管。其仿真原理圖如圖3所示，此仿真模型只是為了驗(yàn)證新型續(xù)流回路的可行性，取脈沖占空比為60%。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在MOS管關(guān)斷瞬間，電機(jī)繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高能量瞬間過壓脈沖(反電動(dòng)勢(shì))，此時(shí)續(xù)流模塊中的穩(wěn)壓二極管被擊穿，電壓被嵌位在預(yù)設(shè)的水平，從而有效保護(hù)驅(qū)動(dòng)MOS管。同時(shí)電流流過導(dǎo)通電阻R，并產(chǎn)生一個(gè)壓降，觸發(fā)續(xù)流MOS管導(dǎo)通，此時(shí)瞬間高能量經(jīng)吸收電阻吸收。續(xù)流模塊仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖3 續(xù)流模塊仿真模型

從圖4可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)MOS管關(guān)斷時(shí)，由繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)將穩(wěn)壓二極管擊穿，電流流過導(dǎo)通電阻R并產(chǎn)生一個(gè)壓降。此壓降就是續(xù)流MOS管門極觸發(fā)電壓，即續(xù)流模塊工作“信號(hào)”。當(dāng)續(xù)流MOS管打開時(shí)，能量消耗被水泥電阻吸收。

由圖5可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)MOS管關(guān)斷時(shí)，繞組中的反電動(dòng)勢(shì)擊穿穩(wěn)壓二極管，并使驅(qū)動(dòng)MOS管漏極保持在一個(gè)預(yù)設(shè)水平，這樣既保證了繞組中電流快速下降，又不會(huì)因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)過高而擊毀驅(qū)動(dòng)MOS管。

圖6、圖7是在帶負(fù)載的情況下驅(qū)動(dòng)同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)波形。圖6所示的曲線是不帶續(xù)流模塊時(shí)繞組電流波形，圖7所示的曲線是帶續(xù)流模塊時(shí)繞組電流波形。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為采樣電阻上電壓值。

圖6 不帶續(xù)流模塊時(shí)繞組電流

圖7 帶續(xù)流模塊時(shí)繞組電流

對(duì)比圖6和圖7可看出，在系統(tǒng)中加入續(xù)流模塊的情況下，電機(jī)繞組中的電流波形要明顯好于沒有加入續(xù)流模塊時(shí)電機(jī)繞組中的波形，驅(qū)動(dòng)效率也更高。這是因?yàn)樵陔姍C(jī)換相過程中繞組中電流不能快速變化，導(dǎo)致?lián)Q相前的驅(qū)動(dòng)電流在換相后變?yōu)椤白璧K”電流，而被消耗在繞組中，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，電流波形發(fā)生畸變。

4 結(jié) 語

本文分析了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻振蕩及高頻失步的原因，闡明了通過改進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)和新型續(xù)流回路方式抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻振蕩及高頻丟步的原理，給出了實(shí)際電路仿真波形。該方法新穎、簡(jiǎn)單、實(shí)用，應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，使電機(jī)克服了低頻振蕩，高頻輸出轉(zhuǎn)矩不足的問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)品質(zhì)。

［1］ 姜平，楊平先.一種抑制步進(jìn)電機(jī)振蕩的新方法［J］.微電機(jī)，2005，38(3):34 －36.

［2］ 王帥夫，劉景林.帶電流負(fù)反饋的混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究［J］.微電機(jī)，2010，43(7):61 －63.

［3］ 胡美君，顏幸堯.基于正弦波細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器研究［J］.微電機(jī)，2008，41(11):51 －53.

［4］ 李玲娟.多細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究［D］.西北工業(yè)大學(xué)，2007:12－16.

［5］ 杜永龍，黃惠東，康興國(guó)，等.改善步進(jìn)電機(jī)低頻特性的續(xù)流回路方法［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2009，10(5):60 －63.

［6］ 史敬灼.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.