发布时间 : 星期日 文章高精度步进电机控制系统毕业设计更新完毕开始阅读19b88a5977232f60ddcca1dc
***大学毕业设计（论文）
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电机。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，而且可以用永磁同步电机的结构模型(图3-9)分析三相混合式步进电机的转矩特性。为便于分析，可做如下假设：
1 ) 饱和效应忽略不计； 2 ) 磁滞电流及涡流损耗不计； 3 ) 激磁电流无动态响应过程。
U.N?1V.S.W
图3-9 三相永磁同步电机的简单结构模型
Figure 3-9 A simple three-phase permanent magnet synchronous motor model
U，V，W为定子上的3个线圈绕组，3个线圈绕组空间位置上相差2?/3。电机单相绕组通电的时候，稳态转矩可以表达为：
T?f(i,?)
(3-6)
其中，i为绕组中通过的电流; ?为电机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?kisin? (3-7)
其中k为转矩常数。若理想的电流源以恒幅值为工的三相电流iU、iV、iW供给电机绕组，即：
iU?Isin?tiViW???Isin(?t?2?/3)? (3-8) ?Isin(?t?4?/3)??合成的电流矢量为(以iU为参考)：
25
高精度步进电机控制系统设计
?I?iU?iVe2j?3?32Ie1j(???t)2 (3-9)
则电机各相电流产生的稳态转矩为：
TU?kIsin?tsin?TVTW???kIsin(?t?2?/3)sin(??2?/3)? (3-10) ?kIsin(?t?4?/3)sin(??4?/3)??稳态运行时，???t，则三相绕组产生的合成转矩为：
T?TU?TV?TW?32kIsin(12???t??)?32kI (3-11)
以上分析表明，对于三相永磁同步电机，当三相绕组输入相差120°的正弦电流时由于在电机内部产生圆形旋转磁场，电机的输出转矩为恒值。同时可以看出，采用了类似三相永磁同步电机的结构和控制方式，三相混合式步进电机产生的空间磁场就具有了类似交流同步电机的运行特性，这为改善步进电机驱动系统的控制提供了保证。
因此，将交流永磁同步电机控制原理应用到三相混合式步进电机驱动系统中，输入的220V交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制技术使三路阶梯式正弦波电流按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电机转动一步，一个周期正弦电流对应电机转子转过一个齿距。通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，而一个周期正弦波的阶梯数确定了每步转过的角度。图3-10给出相差120°的三相正弦阶梯电流。
IU0?t
IV0?t
26
***大学毕业设计（论文）
IW0?t
图3-10 相位相差120°的三相正弦阶梯电流
Figure 3-10 120 ° phase difference between the current three-phase sine ladder
此外，由于本设计中驱动器是要安装在锡球焊接这道工序的机器上，而这道工序机器上器件很精密，各运动马达位置精度要求和焊嘴马达位置精度要求都很高，且机器体积不大。所以步进电机一般工作于低转速状态，如果采用不细分的方式驱动步进电机运转时，达不到工艺要求，且不能克服电机的低频工作时噪声大，易振动的缺点，同时脉冲频率可能会与步进电机的谐振频率一致，从而产生共振现象。
为了克服这些不足，本文提出一种新的细分控制策略，它的设计思路是：先尽可能的细分步距角，使细分数取得足够大，即运行拍数n取得足够大，步距角便足够小，当来一个主令脉冲时，步进电动机可以走整数个微步数来达到所要求的步距角，也就是说不限定只走一步(微步)，而也可以走几步(微步)，甚至几十上百步(微步)。在这种方式下，步进电动机的步距角计算公式由式(2.1)变为：
?b???b/k1?2?k1m1Zr (3-12)
式中k1为步进电机所选用的细分步数。典型的三相混合式步进电机转子为50齿，如果一个周期的正弦阶梯电流阶梯数是20，那么电机的每转步数为20×50=1000步/转。本文设计的驱动器是直接采用交流220V变流，研制的驱动器带动130BYG350B三相混合式步进电机进行试验，三相绕组星形接法，采用8位的数模转换器，理论上可把相电流最大256等分，则电机的每转最大步数为256×50=12800步/转。即步距角可达到0.028125。由于运行拍数多，振动和噪音得到了明显的改善。
3.6 正弦脉宽调制技术原理及其控制方式
3.6.1 脉宽调制技术(PWM)的基本原理
在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积，如图3-11。这里所说的效果基本相同，
27
高精度步进电机控制系统设计
指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅氏变换分析，则其低频段的特性非常接近，仅在高频段略有差异，这是PWM控制的重要理论基础。步进电机的相绕组是明显的惯性环节，因此可以用PWM技术来控制电机绕组的电流大小。
f(t)f(t)f(t)0(a)t0(b)t0(c)t
图3-11 形状不同而面积相同的各种窄脉冲
Figure 3-11 Different shapes and a variety of narrow pulses of the same size
把图3-12(a)所示的正弦半波分成N等份，就可把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于?/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使脉冲的中点和相应正弦等分点的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就可得到图3-12(b)所示的脉冲序列。这就是PWM波形，可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦波形是等效的。像这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。
U0?t(a)U0?t(b)
图3-12 正弦半波的等效PWM波 Figure 3-12 Half-wave sine wave PWM equivalent
28