三相混合式多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案

　　1 前言

　　步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(vr)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(pm)、混合式步進(jìn)電機(jī)(hb)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。由于三相混合式步進(jìn)電機(jī)比二相步進(jìn)電機(jī)有更好的低速平穩(wěn)性及輸出力矩，所以三相混合式步進(jìn)電機(jī)比二相步進(jìn)電機(jī)有更好應(yīng)用前景。

　　2 細(xì)分原理

　　步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的定子繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)按某種要求變化，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，各相繞組的合成磁場(chǎng)矢量，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。

　　混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機(jī)。其轉(zhuǎn)子上所用永磁磁鐵同樣是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的影響可忽略不計(jì)。在結(jié)構(gòu)上，它相當(dāng)于一種多極對(duì)數(shù)的交流永磁同步電機(jī)。由于輸入是三相正弦電流，因此產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)呈圓形分布，而且可以用永磁式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型(圖1)分析三相混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。

　　a.電機(jī)定子三相繞組完全對(duì)稱;

　　b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì);

　　c.激磁電流無(wú)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程;

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　　圖1 三相永磁同步電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)模型

　　U、V、W 為定子上的3 個(gè)線圈繞組，3 個(gè)線圈繞組的軸線成 120°。電機(jī)單相繞組通電的時(shí)候，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為：T=f(i，theta) 。其中，i 為繞組中通過的電流;theta為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。

　　即：T=k *I*sin(theta)，k 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)

　　若理想的電流源以恒幅值為I，即：

　　iU=I*sin(wt)

　　iV=I*sin(wt+2*PI/3)

　　iW =I*sin(wt+4*PI/3)

　　則電機(jī)各相電流產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為：

　　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)

　　穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，theta=wt，則三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩為：

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

　　以上分析表明，對(duì)于三相永磁同步電機(jī)，當(dāng)三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時(shí)，由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應(yīng)用到三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，輸入的220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)脈寬調(diào)制技術(shù)變?yōu)槿冯A梯式正弦波形電流，它們按固定時(shí)序分別流過三路繞組，通過改變驅(qū)動(dòng)器輸出正弦電流的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過的角度，當(dāng)角度越小的時(shí)候，其階梯數(shù)就越多。當(dāng)然，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

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　　圖2 給出相差120°的三相階梯式正弦電流

　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)一般把三相繞組連接成星形或者三角形，按照電路基本定理，三相電流之和為零。即IU+IV+IW =0 。所以通常只需產(chǎn)生兩相繞組的給定信號(hào)，第三相繞組的給定信號(hào)可由其它兩相求得。同樣，只需要對(duì)相應(yīng)兩相繞組的實(shí)際電流進(jìn)行采樣，第三相繞組的實(shí)際電流可根據(jù)式求得。