五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走步均勻性分析
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五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走步均勻性分析
文章對(duì)五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用下橋臂電流恒定不變式恒流斬波驅(qū)動(dòng)時(shí)的步進(jìn)均勻性進(jìn)行了詳細(xì)分析，針對(duì)存在的不足，提出了下橋臂電流恒定值可變式恒流斬流驅(qū)動(dòng)方案。?
關(guān)鍵詞：混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；斬波；驅(qū)動(dòng)電路
Step Uniformity Analysis for 5phase Hybrid Step Motor
WANG Youjun
(Institute of Sciences, PLAUST, Nanjing 210016, China)
Key words: hybrid step motor; chopping; driving circuit
開環(huán)工作方式下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走步的均勻性與驅(qū)動(dòng)電路形式密切相關(guān)。五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主電路驅(qū)動(dòng)控制方式有升頻升壓驅(qū)動(dòng)和定壓恒流斬波等驅(qū)動(dòng)方式，定子繞組聯(lián)接有五相星接、五邊形聯(lián)接和五相全H橋聯(lián)接三種方式。定壓恒流斬波驅(qū)動(dòng)適合于對(duì)高速力矩和抗沖擊性有高要求的場合。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動(dòng)主電路采用下橋臂電流恒定值不變式定壓恒流斬波，定子繞組五邊形聯(lián)接時(shí)，電機(jī)在低頻率下運(yùn)行，有走步不均勻性現(xiàn)象。本文對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了下橋臂恒流值可變式恒流斬波驅(qū)動(dòng)方案。
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式中N—每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)；NI—每相繞組的磁動(dòng)勢(shì)；Z2—轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；θ—矩角；Ad—直軸磁導(dǎo)；Aq—交軸磁導(dǎo)。
電磁轉(zhuǎn)矩最大值Tmax與每相繞組磁動(dòng)勢(shì)(或相電流)的平方成正比，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)屬于對(duì)繞組電流十分敏感的傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
主電路如圖1示，下橋臂電流恒定值固定為相繞組額定電流的兩倍2I。以半步運(yùn)行為例，4-5勵(lì)磁的20種通電狀態(tài)中4相勵(lì)磁與5相勵(lì)磁交替進(jìn)行，根據(jù)環(huán)分控制邏輯不難分析，主電路穩(wěn)態(tài)等值電路基本結(jié)構(gòu)為4拍一循環(huán)，所以單步響應(yīng)特性也是4拍一循環(huán)。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制主要體現(xiàn)為對(duì)轉(zhuǎn)矩矢量的控制，而繞組電流又直接與轉(zhuǎn)矩相關(guān)。以一相繞組通以額定電流I產(chǎn)生的定位轉(zhuǎn)矩T為基準(zhǔn)，首先分析相鄰4拍 繞組電流及其相應(yīng)派生定位轉(zhuǎn)矩矢量的變化規(guī)律。
派生定位轉(zhuǎn)矩矢量為：
派生定位轉(zhuǎn)矩矢量為
派生定位轉(zhuǎn)矩矢量為
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從以上分析可以看出：派生定位轉(zhuǎn)矩矢量變化不均勻，表現(xiàn)在大小上不一樣，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相當(dāng)明顯，最大值是最小值的2.15倍；相位變化也不均勻，5相勵(lì)磁產(chǎn)生了附加步距誤差。這些因素反映在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，走步有明顯的“強(qiáng)”“弱”或“重”“輕”，加劇了電機(jī)的低頻震蕩，這對(duì)低速工作是不利的，另外步矩角的不均勻也影響到系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。
派生定位轉(zhuǎn)矩矢量為：
派生定位轉(zhuǎn)矩矢量為
派生定位轉(zhuǎn)矩矢量為
? 從以上分析可以看出：派生定位轉(zhuǎn)矩矢量變化不均勻，表現(xiàn)在大小上不一樣，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相當(dāng)明顯，最大值是最小值的2.15倍；相位變化也不均勻，5相勵(lì)磁產(chǎn)生了附加步距誤差。這些因素反映在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，走步有明顯的“強(qiáng)”“弱”或“重”“輕”，加劇了電機(jī)的低頻震蕩，這對(duì)低速工作是不利的，另外步矩角的不均勻也影響到系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。
若改下橋臂恒流斬波的電流恒定值隨繞組勵(lì)磁狀態(tài)變化，可以改善定位轉(zhuǎn)矩矢量變化的均勻性。具體分析如下。
條件：B相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為2I；D相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為1.5I。各相繞組電
條件：D相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為2I；B相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為1.5I。各相繞組電
條件：D相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為2I；A、E相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為I；各相繞組電
由以上分析不難看出，派生定位轉(zhuǎn)矩矢量變化的均勻性得到較大改善，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相當(dāng)小，最大值僅是最小值的1.11倍，且無附加步距誤差。
條件：B相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為2I；D相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為1.5I。各相繞組電
條件：D相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為2I；B相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為1.5I。各相繞組電
條件：D相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為2I；A、E相下橋臂恒流斬波的電流恒定值為I；各相繞組電
由以上分析不難看出，派生定位轉(zhuǎn)矩矢量變化的均勻性得到較大改善，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相當(dāng)小，最大值僅是最小值的1.11倍，且無附加步距誤差。
按照改進(jìn)方案，每相下橋臂恒流斬波的電流恒定值隨繞組勵(lì)磁狀態(tài)變化，在下橋臂開通時(shí)根據(jù)勵(lì)磁狀態(tài)不同有I、1.5I和2I三種取值，電路如圖3，通過開關(guān)切換改變電阻分壓值得到所要求的電流設(shè)定值。模擬開關(guān)k1a和k2a可采用CD4066集成電路實(shí)現(xiàn)。
由式(1)可確定電阻R?0和R?1的阻值。
k1ak2a=10時(shí)，比較器U“+”端門限值為
由上式可確定電阻R3的阻值。
表1為整個(gè)五相電流控制開關(guān)與環(huán)分信號(hào)對(duì)應(yīng)的開關(guān)真值表。某相下橋臂未開通時(shí)，表中的邏輯值為隨意值。開關(guān)真值表可結(jié)合環(huán)分信號(hào)用EPROM或CPLD等器件來實(shí)現(xiàn)。
評(píng)論