五相混合式步進電動機走步均勻性分析

作者：時間：2012-03-23 來源：網(wǎng)絡(luò)

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五相混合式步進電動機走步均勻性分析

文章對五相混合式步進電動機采用下橋臂電流恒定不變式恒流斬波驅(qū)動時的步進均勻性進行了詳細分析，針對存在的不足，提出了下橋臂電流恒定值可變式恒流斬流驅(qū)動方案。?
　　關(guān)鍵詞：混合式步進電動機；斬波；驅(qū)動電路

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，步進電動機走步的均勻性與驅(qū)動電路形式密切相關(guān)。五相混合式步進電動機主電路驅(qū)動控制方式有升頻升壓驅(qū)動和定壓恒流斬波等驅(qū)動方式，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)動適合于對高速力矩和抗沖擊性有高要求的場合。實踐中發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動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，電機在低頻率下運行，有走步不均勻性現(xiàn)象。本文對此進行了詳細分析，并提出了下橋臂恒流值可變式恒流斬波驅(qū)動方案。

式中N—每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)；NI—每相繞組的磁動勢；Z2—轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；θ—矩角；Ad—直軸磁導；Aq—交軸磁導。
　　電磁轉(zhuǎn)矩最大值Tmax與每相繞組磁動勢(或相電流)的平方成正比，所以步進電動機屬于對繞組電流十分敏感的傳動電動機。

　　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。以半步運行為例，4-5勵磁的20種通電狀態(tài)中4相勵磁與5相勵磁交替進行，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)，所以單步響應特性也是4拍一循環(huán)。混合式步進電動機的驅(qū)動控制主要體現(xiàn)為對轉(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，首先分析相鄰4拍繞組電流及其相應派生定位轉(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
　　

　　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)矩波動相當明顯，最大值是最小值的2.15倍；相位變化也不均勻，5相勵磁產(chǎn)生了附加步距誤差。這些因素反映在步進電動機低頻運行時，走步有明顯的“強”“弱”或“重”“輕”，加劇了電機的低頻震蕩，這對低速工作是不利的，另外步矩角的不均勻也影響到系統(tǒng)的脈沖當量。

　　若改下橋臂恒流斬波的電流恒定值隨繞組勵磁狀態(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)矩波動相當小，最大值僅是最小值的1.11倍，且無附加步距誤差。

　　按照改進方案，每相下橋臂恒流斬波的電流恒定值隨繞組勵磁狀態(tài)變化，在下橋臂開通時根據(jù)勵磁狀態(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集成電路實現(xiàn)。