三相混合式步进十大驱动器的设计原理和控制

1．前言

    步进十大是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。与交流伺服十大及直流伺服十大相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进十大运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进十大的应用范围。步进十大的运行性能与它的驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进十大的缺点。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进十大的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使十大运行更加平稳均匀。总体来说，步进十大细分驱动的控制效果最好。因为常用低端步进十大伺服系统没有编码器反馈，所以随着步进十大速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛。

     因为三相混合式步进十大比二相步进十大有更好的低速平稳性及输出力矩，所以三相混合式步进十大比二相步进十大有更好应用前景。传统的三相混合式步进十大控制方法都是以硬件比较器完成，本文主要讲述使用DSP及空间矢量算法SVPWM来实现三相混合式步进十大控制。

2．细分原理

    步进十大的细分控制从本质上讲是通过对步进十大的定子绕组中电流的控制，使步进十大内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进十大步距角的细分。最佳的细分方式是恒转矩等步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了十大旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在十大内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。

    三相混合式步进十大的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服十大。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步十大。由于输入是三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步十大的结构模型（图1）分析三相混合式步进十大的转矩特性。为便于分析，可做如下假设：

a.步进十大定子三相绕组完全对称；

b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计；

c.激磁电流无动态响应过程。

   U、V、W 为定子上的3 个线圈绕组，3 个线圈绕组的轴线成 120°。十大单相绕组通电的时候，稳态转矩可以表达为：T=f（i,theta）。其中，i为绕组中通过的电流；theta为十大转子偏离参考点的角度。由于磁饱和效应可以忽略不计，并且转子结构是圆形，其矩角特性为严格的正弦，

即：T=k *I*sin（theta），k 为转矩常数

若理想的电流源以恒幅值为I 的三相平衡电流iU、iV、iW 供给十大绕组，即：

iU=I*sin（wt）

iV=I*sin（wt+2*PI/3）

iW =I*sin（wt+4*PI/3）

则十大各相电流产生的稳态转矩为：

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）

稳态运行时，theta=wt，则三相绕组产生的合成转矩为：

T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin（PI/2-wt+theta）=3/2*k*I

   以上分析表明，对于三相永磁同步十大，当三相绕组输入相差 120°的正弦电流时，由于在内部产生圆形旋转磁场，十大的输出转矩为恒值。因此，将交流伺服控制原理应用到三相混合式步进十大驱动系统中，输入的220V 交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应十大转动一步。通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变十大转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，那么其阶梯数就越多，即细分就越大，从理论上说此角度可以设得足够的小，所以细分数可以是很大，而交流伺服控制的每步角度与反馈的编码器的精度有很大的关系，一般使用的为2500线，所以每一步转过的角度仅为0.144度，而此方法控制的步进十大，比如步进十大细分数为10000，则每一步转过的角度为0.036度，所以比一般的伺服控制精度高很多。当然，步进十大转动时，步进十大各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，十大随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降，通过恒流方式可以使在十大低频和高频时保持同样的相电流从而使高频的力矩特性有所改善，这只能是在低速时，所以其综合性能（高低速噪声，高速力矩，高速平稳性等）很难赶超交流伺服控制系统。

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