（电力电子与电力传动专业论文）直线脉冲电机（slpmu025a）运行特性的分析及其驱动控制系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 串口通信实现p c 机对电机的远程控制的可能性；同时对主功率电路、驱 动电路和系统保护电路进行了分析，完成了硬件的设计、制作和软件的 编程、调试，最后在混合式直线脉冲电机上进行了全面测试。 本文最后给出了运行实验结果，实验结果表明：该控制器能够实现直 线脉冲电机的各种方式运行，电机运行稳定，满足设计要求。该直线脉 冲电机驱动控制系统的研制，可广泛应用于小功率直线运动装置和系统 中，同时利用该驱动系统可对直线脉冲电机的动特性进行更深一步的研 究，具有较好的应用前景。 关键词：直线脉冲电机，细分控制，单片机，u c 3 7 1 7 ，电流峰值检测 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fl p ma n d t h er e s e a r c ho fi t sd r i v ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h et h e s i si n t r o d u c e sas i n g l e c h i p b a s e dd r i v ec o n t r o ls y s t e mf o ral i n e a r p u l s em o t o r , t a k i n gs l p m u 一0 2 5 a ，at w o - p h a s eh y b r i dl i n e a rp u l s em o t o r m a n u f a c t u r e db ys h i n k 0m o t o rc o m p a n yl t d ，a sas p e c i m e n t h et h e s i s s t u d i e sl i n e a rp u l s em o t o r sc l a s s e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r kp r i n c i p l e ，m a i n l y r e s e a r c h e st h ed r i v ea n dc o n t r o lt e c h n i q u eo fl i n e a rp u l s em o t o r t h et h e s i sd i s c u s s e sw o r kp r i n c i p l eo fl i n e a rp u l s em o t o r a n do nt h eb a s i s o ft h ew i n d i n ge l e c t r i f y i n gt r a i ta n dp u l s es t e p p i n gc o n t r o lm e t h o do fa t w o - p h a s eh y b r i dl i n e a rp u l s em o t o r , t h et h e s i sa d o p t ss i n g l e c h i pm c s - 5 1a s c o r ec o n t r o lc e l la n du c 3 7 1 7a sd r i v i n gp a r ta n dc o m b i n e sw i t hc u r r e n tp e a k v a l u ed e t e c tc i r c u i ta n ds oo n ，t h e np u t sf o r w a r d sag e n e r a lc o n t r o ls c h e m e t h et h e s i sa n a l y z e sa n ds t u d y st h et e c h n i q u es c h e m e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no fc o n t r o ls y s t e ms e p a r a t e l yi nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h es y s t e mt e c h n o l o g yr e q u i r e ，t h et h e s i sa d o p t ss i n g l e c h i p a t 8 9 c 51t or e a l i z eo p e nl o o pd i g i t a lc o n t r o lo fh y b r i dl i n e a rp u l s em o t o r ， u s e sl c da n dc o m p l e xk e y c o n t r o lm e t h o dt or e a l i z ed i g i t a ls e t t i n go fs y s t e m p a r a m e t e rs u c ha sv e l o c i t y , u s e sm i c r o s t e p p i n gc o n t r o lt oi n s u r et h em o t o r i l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 r u n n i n gm o r es m o o t h l ya n dd o e sw a v ea n a l y s ea n dt h e o r yr e s e a r c h t h et h e s i s t h e o r e t i c a l l y e d u c e s r a i s i n g l o w e r i n g 丹e q u e n c y c u r v eo f s t e p p e r m o t o r , a n a l y z e sr e a l i z a t i o no fr a i s i n g l o w e r i n g 矗e q u e n c yt h e o r yi na c t u a l l y s t e p p e rm o t o r sr u n n i n g ，a n df i n d so u tt h eo p t i m a lc o n t r o lm e t h o d ，t h e n a d o p t sr a i s i n g l o w e r i n gf r e q u e n c yc o n t r o lm e t h o dt oe l i m i n a t et h ep o s i t i o n l o s so fp o i n tt op o i n tp o s i t i o nc o n t r o la n dt h em e c h a n i c a li m p a c to fd i s t a n c e t e r m i n a t i o ne f f e c t i v e l yb ys i n g l e c h i ps o f t w a r es t r a t e g y t h es y s t e ma c h i e v e s l o n g d i s t a n c ec o n t r o lb ys e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o r e o v e r ，t h et h e s i sa n a l y z e s m a i np o w e rc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i ta n dp r o t e c tc i r c u i to fs y s t e m ，c o m p l e t e s h a r d w a r ed e s i g na n df a c t u r ea n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n g ， e v e n t u a l l yd o e saw h o l et e s ti nl i n e a rp u l s em o t o r f i n a l l yt h et h e s i sg i v e sa n da n a l y s e sr u n n i n gr e s u l t so ft h em o t o rc o n t r o l s y s t e m sa f t e ru s i n gd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d s t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mc a nc a r r yo u tm o t o rr u n n i n gi na l lk i n d so fm e t h o d s a n dr e a c h e st h e q u a l i t i e sr e q u i r e da n dr u n ss m o o t h l ya l s o t h e l i n e a rp u l s e m o t o rc o n t r o l s y s t e m c a nb eu s e di ns o m el o w p o w e r l i n e a rf o r c e e l e c t r o m o t i o nm a c h i n e t h em o t o ro w n se x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d p r e f e r a b l y k e yw o r d s ：l i n e a rp u l s em o t o r , m i c r o s t e pc o n t r o l ，s i n g l e c h i p ，u c 3 717 ， c u r r e n tp e a kv a l u ed e t e c t y 9 7 9 4 0 0 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 崮墨j 日期： 砌。、p 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括- 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： ! 量】堑日期： 导师签名： 秘t6 j ! 。_ ： 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 1 1 步进电机控制的现状与发展趋势 1 1 1 步进电机的特。性及优缺点 由于旋转步进电机和直线脉冲电机在原理上有相仿之处，前者是后者的发展基 础，故本节先介绍步进电机的特性和优缺点。 步进电动机是一种完成增量运动的电磁机构，能将输入的电脉冲信号转换成机械 的步进运动量加以输出。它是离散型自动化执行元件，和现代数字控制技术有着本质 的联系。步进电动机是根据组合电磁铁理论设计的，电动机的设计是以精确的定位作 为主要目标，要求堵转转矩大、定位精度高。在结构上电动机各绕组之间的磁场是彼 此孤立的，定转子都采用凸极结构，力求各绕组之间没有互感，并降低空间磁谐波的 有害影响。步进电动机在系统中可实现下列功能：变换脉冲数为转轴的角位移，起电 磁制动器、电磁差分器、电磁减速器、角位移发生器、直线距离给定和短距离高速与 超高速驱动等作用。它是随着计算机控制系统的发展而逐步发展起来的，从5 0 年代 至今已有5 0 多年的历史。计算机技术的发展，数字控制系统的采用，促进了步进电 动机的发展。尤其是8 0 年代后，微处理器在数控技术中的推广应用，给步进电动机 开拓了广阔的应用前景。由步进电动机组成的步进传动系统具有以下优点： 1 ) 步进电动机是一种离散运动的执行装置，很容易和其他数字器件进行接口； 2 ) 由于步进电机在电机设计上的独特性，系统位置误差无积累： 3 ) 步进电机可以采用开环方式控制，系统结构简单，不存在系统不稳定的问题； 4 ) 采用永磁式或混合式步进电动机时，电机具有记忆转矩功能，可以在停电时将 转子锁定在特定的位置上； 5 ) 系统开发设计容易，维护方便，故障率低。 但是，步进电机也存在诸多缺陷，综合而言： 1 ) 由于电动机中没有形成一个统一的大小不随时间变化的磁场，所以在开关每相 绕组时总存在很大电感，电动机的电气时间常数和机械时间常数都比较大： 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ) 电动机的效率和容量都非常低，电动机的速度响应能力较差； 3 ) 步进电动机在低速时易出现低频振动现象，这种由步进电机的工作原理所决定 的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利； 4 ) 步进电机的控制基本上都采用开环控制，启动频率过高或负载过大时易出现失 步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象； 5 ) 由于步进电机一般不具有过载能力，在选型时为了克服惯性负载在启动瞬间 的惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大 的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 针对以上问题，伴随着现代电力电子技术和微处理器技术的飞速发展，人们引入 了各种步进电机控制方式。 1 1 2 步进电机的不同控制方式及发展趋势 步进电动机的控制方式经过多年的发展，除了常规的开环步进驱动技术以外，还 形成了升频升压控制、恒流斩波控制、微步进细分控制、位置、速度反馈控制等控制 方式，以下分别给以介绍。 1 ) 常规开环步进驱动技术 步进电机的常规开环驱动系统由脉冲生成电路、脉冲环形分配电路、功率驱动电 路、步进电机及机械机构等组成，其中功率驱动电路可由单电压驱动电路、双电压驱 动电路或者高低压驱动等构成。如图1 1 所示，为数控机床中多见的常规步进驱动系 统。这种驱动系统因为是开环控制，存在有转换误差、传动误差、传递误差等各种误 差形式，所以一般很难达到较高的位置控制精度。因此有必要对它进行相应的改造。 工作台 号【l 卜一 r h 传动机构 图1 1 常规步迸驱动系统的基本组成 f i g u r e1 1 t h eb a s i cc o n s t r u c to f n o r m a ls t e p p i n gd r i v es y s t e m 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ) 升频升压控制技本 升频升压控制技术是通过采用b o o s t 电路等变换电路，使加在电机绕组上的电压 随运行频率的升高而升高，从而在一定的升频升压频域内保持绕组电流和牵出电磁转 矩基本恒定利用这种控制方式可以降低电机低速运行时的相绕组供电电压从而降低 低频振动，改善步进电机的低频性能但是目前升频升压控制主要是开环控制，因而 存在以下主要问题：电压开环控制，易受供电电压波动影响；电机绕组电流由驱动器 输出电压与绕组电阻决定，因此电流易受环境( 电源电压、电机参数等) 影响，导致 电机发热或转矩下降：由于电机电阻很小，低速运行时驱动器输出电压必须较小才能 不致产生过电流，而过低的绕组电压使得电机的快速响应性较差；驱动器适应性差， 针对不同规格型号的电机须相应调整。 3 ) 恒流斩波控制技术 恒流斩波控制技术是目前步进电机控制的主流技术。这种驱动方式采用脉冲调制 ( p w m ) 等方式，使相绕组电流无论在低频或高频段工作时都保持基本恒定。由于 电动机的电磁转矩只与电机相绕组电流相关，所以恒流斩波控制技术能够保证电机牵 出转矩的平均值基本恒定。同时，电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。 牵出转矩是步进电机的重要性能指标，当有目的的控制电机绕组相电流在一个相 对较高的值上时，我们就可以提升电机的牵出转矩。对此文g l 7 1 、【1 0 1 和【3 0 】做了相 关介绍。为克服步进电机在高频时牵出转矩下降的问题，文献【1 1 提出了一种新的恒 流斩波型电流源驱动器。但是，恒流斩波控制技术不能解决步进电机本身所固有的低 频振动问题。 4 ) 微步细分控制技术【3 】【1 3 】1 1 6 】 步进电机微步细分控制技术本质上是一种电流反馈控制。步距角细分是通过改变 步进电机相电流的方法来实现的。通常采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即同 时改变电机两相电流的大小，使电流合成矢量等幅均匀旋转。这种方法从理论上消除 了相角滞后的变化对细分角的影响，确保了电机步距角细分的实现。 利用微步细分控制技术能够使步进电机的分辨率大大提高，同时也能够有效地降 低步进电机低频运转时的振动和噪音。细分技术的产生得益于现代电力电子技术的深 入发展，也使步进电机控制进入了一个新的空间。当今步进电机控制器的高端产品基 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 本上都采用了该技术。细分驱动需要控制绕组电流的大小，所以只有单电压串电阻驱 动和恒流斩波驱动两种线路可用于细分驱动。 5 ) 矢量控制技术 矢量控制技术是现在步进电机控制领域内又一新兴的控制方式。该方式依托当今 飞速发展的单片机嵌入式系统及d s p 技术，采用较为复杂的数字算法对步进电机的 相电流进行矢量解耦，利用合理调节电机的相电流达到控制电机输出转矩的目的，进 而最终实现对电机的速度、位置的有效控制。矢量控制技术是现今步进电机控制方案 中最为先进的，同交流电动机的矢量控制方案遥相呼应，符合电动机控制技术的发展 趋势，是实现步进传动系统微精进给、高速与超高速驱动的新的选择。但目前尚处于 起步阶段，还存在诸多问题需要解决。 6 ) 位置、速度反馈控制 如前述，步进电机开环控制存在诸多缺陷，对于数控加工中心等要求高的场合， 必须引入位置、速度反馈控制。图1 ，2 为一种有位置反馈的闭环控制系统。 丁作台 图1 2 位置闭环步进控制系统 f i g u r e1 - 2 t h ep o s i t i o nc l o s e dl o o po f s t e p p i n gc o n t r o ls y s t e m 事实上，位置、速度反馈控制总是与恒流斩波控制技术、微步细分控制技术、 矢量控制技术等结合起来，以达到对步进电机的电流、转速、位置的精确控制。图 1 3 为这种系统的一个框图。 位置、速度反馈控制的一个关键是对电机位置的在线测量。较为常见的做法是采 用光电编码器进行转速测量然后利用积分环节实现转子位置的在线实时辩识。文献【8 】 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 和 1 4 推出了利用谐波反电动势实现转子位置检测的方法并实现了速度闭环控制，当 我们在步进电机中事先安装位置检测线圈后，就可以通过读取测量线圈上的谐波反电 动势来估计电机的位置。文献【1 】给出了电流峰值检测电路实现位置反馈的方法，根 据每相绕组电流波形的特殊性，导通相电流或者截止相电流会出现若干正负波峰，我 唑督鹭二斗 壅堕皇堕堕l f 积分 们可以利用相电流出现的峰值产生一个脉冲或者定时信号来为电机步进位移计数或 1 1 _ 3 步进电机控制系统的实现 现在步进电机控制系统主要通过以下三种方式实现：基于专用芯片实现、基于单 片机实现和基于d s p 实现。 1 ) 基于专用芯片实现步进电机控制系统 目前采用专用芯片实现步进电机控制仍是市场的主流。高性能的专用芯片层出不 穷。比较典型的有以下几种。 s t k 6 7 2 - - 0 2 0 ，该芯片是日本三洋公司主产的他励式单极性电流斩波方式的四 相步进电机专用集成i c ，内置环形分配器。 h a l 3 5 3 2 t ，该芯片是日本日立公司生产的三相混合式步进电机专用的新型、 高性能p w m 集成器。 u c 3 7 1 7 、u c 3 7 7 0 ，该芯片是u n l t r o d e 公司生产的高性能全桥驱动i c ，适 用于小功率步进电机一相绕组的双极性固定关断时问的恒流斩波控制。同类芯片还有 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 p b l 3 7 7 0 a ，p b l 3 717 等【2 9 】【3 0 1 。 i r z1 3 3 ，该芯片是美国i r 公司开发生产的高电压、高速度的大功率m o s f e t 和i g b t 专用i c 。可以同时驱动三对桥，适用于大功率步进电机的驱动。 m c 3 4 7 9 ，该芯片是美国m o t o r o l a 公司生产的采用双极方式驱动二相混合式步 进电机的专用芯片。 其他还有l 2 9 8 、u c 3 6 3 7 、p b d 3 5 1 7 等在此不再一一复述。 2 ) 基于单片机实现步进电机控制系统 基于单片机实现步进电机控制也是目前重要的一种手段。步进电机本身就是离散 型自动化执行元件，所以它特别适合采用单片机及嵌入式系统控制。同专用i c 相比， 单片机有更大的灵活性，更易实现复杂的控制策略。随着微处理器技术的飞速发展， 单片机的性价比越来越高，利用单片机实现步进电机控制将形成趋势。 3 ) 基于d s p 实现步进电机控制系统 d s p ( 数字信号处理器) 是使电机实现全数字控制的核心。以t i 公司为首的d s p 生产商最近开发出了多款针对电机控制的d s p 芯片。d s p 以其极高的计算速度、优 越的性价比、亲和的开发环境正成为工程设计人员的新宠。基于d s p 实现步进电机 控制是一个极具开发价值的发展方向。 由于控制系统的复杂性和控制精度的要求，实际中步进电机控制系统越来越趋向 于后两种控制模式与第一种模式的结合。 1 1 4 直线脉冲电机的优越性 过去，在各种工程技术中需要直线运动时，一般是用旋转电机通过曲柄连杆或 蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。但是，这种传动形式往往会带来结构复杂，重量重， 体积大，啮合精度差且工作不可靠等缺点。而与旋转电机传动相比，直线脉冲电机则 可克服这些缺点，它所具有的突出优势，己越来越引起人们的重视，本论文就是以直 线脉冲电机为研究对象，对其驱动控制系统进行分析研究。直线脉冲电机驱动的装置 与系统所具有的优越性概括如下： 1 ) 整个系统得到简化 直线脉冲电机由于不需要任何中间转换装置，因而使整个系统得到简化，保证 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 了运行的可靠性，减小了振动和噪音，提高了传递效率，降低了制造成本，易于维护； 2 ) 可实现快速响应 用直线脉冲电机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而 加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向直线运动； 3 ) 大大减小了机械损耗 由于直线脉冲电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，其运动时可以无机械接 触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损耗； 4 ) 直线脉冲电机散热面积大，容易冷却 由于直线脉冲电机结构简单，其散热效果也较好，所以这一类直线电机的热负荷 可以取得较高，并且不需要附加冷却装置； 5 ) 装配灵活性大，通常可将电机和其它机件合成一体。 由上可见，由直线脉冲电机驱动的装置与系统在一些合适的场合上具有很大的优 势。不久的将来，它将像微电子技术和计算机技术一样，在人类的各个领域中得到广 泛的应用。当然，任伺事物都不可能十全十美的，直线脉冲电机也不例外，它也存在 着一些不足之处，主要表现在与同容量旋转电机相比，直线脉冲电机的效率和功率因 素要低，尤其在低速时比较明显，但是总体来说，直线脉冲电机在一些合适的直线运 动装置或系统中，是很有发展前途的，也是能发挥很大作用的。 1 1 5 直线脉冲电机的国内外发展概况及应用 直线脉冲电机，它的发展历史虽然比较短，但由于其自身的优越性，其应用的 领域已很广泛。绘图仪、打印机、软盘驱动器等计算机外围设备中的应用被认为是直 线脉冲电机应用的主要领域，如美国惠普公司生产的x y 绘图仪和i b m 公司生产的 高速打印机以及计算机磁盘的磁头驱动均采用直线脉冲电机；美国奥基电气公司在软 盘驱动方面则采用圆柱型直线脉冲电机等。在数据设备、情报设备中直线脉冲电动机 也有着广泛的应用。另外，日本正在进行将直线脉冲电机作为人工心脏动力源的研究 工作，从而将直线脉冲电机的应用拓展到一个全新的领域。此外，集成电路制作、焊 接封装等工业生产流水线上，智能机械手和智能机器人中都需要高定位精度、高可靠 性的直线运动驱动器，而直线脉冲电机很容易与微型计算机相结合构成这种驱动器， 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 所以在工业生产线上和机械制造加工领域直线脉冲电机有很好的发展前景。 我国自7 0 年代以来，直线脉冲电机的研究发展很快。中国科学院电工研究所和 上海工业大学、西安交通大学、浙江大学、太原理工大学等高等学校以及一些科研单 位和厂矿企业，在直线脉冲电机的理论研究和工业应用中取得了许多成果。在直线脉 冲电机应用方面成果丰富，如煤矿井口推车机、电动门、送料机械手、铁路栏道栅、 调车场加减速器、电磁打箔锤、窗帘开闭器、浮法玻璃搅拌机等都获得推广应用1 1 】l 】。 由此可见，直线脉冲电机是一种很有发展前途的高科技直线运动驱动装置。 1 2 控制系统概述 本论文所针对的步进电机是两相混合式直线脉冲电机，这种类型的电机除了具有 步进频率高、反应速度快等优点外，更为重要的是还具有明显的零电流定位力矩，所 以应用广泛。 直线脉冲电机( l i n e a rp u s em o t o r ，简称l p m ) 是步进电动机( s t e pm o t o r ) 家族中近年来发展较快、具有广阔应用前景的重要一员，它能将输入的电脉冲信号直 接转换成相应的微步直线运动。直线脉冲电机是旋转步进电机电磁拓扑的变种，然而 在需要直线驱动的场合，由于省去了旋转类步进电机必需的丝杠和链条等机械转换装 置，结构大为简化，在定位精度、工作效率、能源节约等方面显示出愈来愈明显的优 势，特别是随着微机技术、集成电路的发展、直线脉冲电机本体的日臻完善、以及直 线运动领域的增多，正朝着其它直线运动驱动装置所不能满足或者使用旋转电机有困 难、技术经济指标不满足要求的领域发展，可以预计直线脉冲电机的应用前景将非常 广阔。 细分控制技术能够克服步进电机在中低速运行下存在的性能缺陷，在当今步进电 机控制领域中极具发展潜力。本文将对细分技术的原理进行详细阐述。 微机技术的发展提高了步进电机驱动控制水平，推动了电机控制技术的发展，电 机的微机控制正在向多层次方向发展。由微处理器控制的步进电机驱动系统形成了步 进电机控制领域的一次新的技术浪潮。结合步进电机的细分控制策略和单片机技术实 现对直线脉冲电机的高效控制是本课题研究的重点。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 本论文的研究内容是利用a t 公司生产的a t8 9 c 5 1 微控制器设计并实现两相混 合式直线脉冲电机控制驱动系统，完成细分控制、电流反馈等先进的控制算法，同时 实现电机控制系统与上位计算机的通讯。具体设计内容包括： 1 ) 两相混合式直线脉冲电机结构和运行原理的分析； 2 ) 两相混合式直线脉冲电机细分控制理论及最佳控制的分析； 3 ) 直线脉冲电机驱动控制系统的硬件设计，包括单片机微控制器以及外围电路、 细分电路、电机功率驱动电路、键盘和显示电路、电机绕组电流采样和反馈电路、过 电流保护电路的设计和实现等； 4 ) 直线脉冲电机驱动控制系统的软件设计。包括主程序、细分程序、显示程序、 过电流保护中断程序、串行接口通讯程序等软件模块的设计和调试。 1 3 主要研究工作 1 3 1 系统硬件电路的设计与制作 在硬件设计方面，完成系统方案设计的论证和系统硬件控制电路的设计，并进行 系统基本功能的调试工作，主要工作包括： 1 ) 方案论证：根据系统性能指标要求，确定系统的控制方案； 2 ) 原理图绘制：根据系统设计方案完成系统电路原理图的设计： 3 ) 硬件调试：制作p c b 电路板，并进行硬件基本功能的测试。 1 3 2 系统控制软件的设计与实现 按照系统技术指标的要求，对系统进行合理的分析与规划，寻求合适的控制规律 并确定软件流程，主要工作包括： 1 ) 系统软件总体需求分析与设计； 2 ) 系统软件整体结构设计： 3 ) 系统各部分功能的软件实现； 4 ) 组成完整程序进行调试： 5 ) 主要性能指标测试。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 3 系统性能指标测试 在系统硬件及软件设计及调试工作完成后，按照系统性能指标要求，对系统功能 进行测试，以验证系统是否达到要求的性能指标。这时系统控制器要联机测试，具体 测试内容如下： 1 ) 电机正反向运行测试： 2 ) 预置步运行及频率调节测试； 3 ) 系统平稳性测试； 4 ) 系统末端冲击及噪声的消除情况测试。 本章小结 本章系统地阐述了步进电机控制的现状与发展趋势，介绍了步进电机的特性和优 缺点，说明了针对步进电机的不同控制策略和控制系统实现方式，并介绍了直线脉冲 电机的特点及其应用。本章也着重介绍了本课题的研究内容和期望目标。 l o 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 第二章直线脉冲电机的结构和运行工作原理 据前一章的论述可知，本系统电机选用直线脉冲电机。在本章中，将重点论述变 磁阻式直线脉冲电机和混合式直线脉冲电机的结构、运行工作原理以及控制技术方面 的问题，对两种直线脉冲电机进行比较。 2 1 直线脉冲电机概述 直线脉冲电机是一种将输入的电脉冲信号直接转换成微步直线运动的驱动装 置，当这种电机外加个电脉冲，电机就会直线地运动一步，故称直线步进电机。输 入直线步进电动机绕组的电流既不是直流电，也不是正弦交流电，而是脉冲电流，所 以又称它为直线脉冲电动机，输入直线脉冲电机的电流脉冲信号，可由数字控制器或 微处理器来提供。该电机无需直线位置传感器，可实现不丢步、不越步状态下的长行 程、快速可逆运行，单片机的数字控制可完成高质量的控制品质要求，还可有效消除 行程末端的机械冲击，抑制噪声，采用细分技术可使电机运行更具有平稳性。 为满足精密直线驱动技术的要求，2 0 多年来，直线脉冲电机在国内外得到了较 大的发展。直线脉冲电机具有在开环条件下，能够直接提供精密而可靠的直线位移、 速度和加速度控制，这是直流电机和感应电机所不能做到的。它不仅能够实现静态和 动态定位，而且具有自锁等优点，使得它在各种精密设备如自动绘图仪、计算机设备、 智能仪器仪表、机器人、电子设备以及各种自动化检测和控制等领域中得到很大的发 展，是一种理想的高速、高可靠性，高定位精度的直线运动驱动装置。 尽管直线脉冲电机的设计方案很多，内部结构设计可以是各种各样的，但就其电 磁推力产生的原理来说，直线脉冲电机大致可归纳为两大类型：一类是变磁阻式直线 脉冲电机；另一类是混合式直线脉冲电机，与前一种相比较，它是利用永久磁铁供磁 和电流励磁巧妙结合的最佳方案来产生电磁推力的。 2 2 变磁阻式直线脉冲电机 变磁阻式，也叫反应式。在这种步进电机中，磁场仅由线圈产生。 太原理 大学硕士研究生学位论文 步进电动机根据能量最小原理，其磁力线总是沿着磁阻最小即磁导最大的路径闭 合并力图缩短磁通路径以减小磁阻。最简单的变磁阻式直线脉冲电机就是三相变磁阻 式直线脉冲电机，它内部的磁场力仅由通入各相绕组的脉冲电流产生。其基本结构如 图2 一l 所示。动子由a 、b 、c 三相绕组分别缠绕在一个e 形铁芯的三个铁心柱上组 成。磁极1 、2 、3 的齿与定子的齿相对顺次错开1 3 齿距。当只有a 相绕组通电时， a 相绕组围绕的铁心柱中磁通最大，由磁力线的张力特性，磁极1 下的齿将与定子齿 对齐。同样道理，再给b 相绕组通电，磁极2 下的齿将要与定子齿对齐，从而使动 子前进l 3 齿距。c 相也不例外。于是三相绕组按a b c a 的单相三拍顺序通电时， 动子就以1 3 齿距的步距作直线步进运动。 图2 1 三相变磁阻式直线脉冲电机基本结构 f i g u r e2 - 1t h eb a s i cc o n s t r u c t i o no f t h et h r e ep h a s ev a r i a b l er e l u c t a n c el i n e a rp u l s em o t o r 2 3 混合式直线脉冲电机 2 3 1 混合式直线脉冲电机的结构特点 混合式直线脉冲电机的基本结构与变磁阻式直线脉冲电机的基本结构相似，不同 的是磁场是由永久磁铁和绕组电流共同产生的。混合式直线脉冲电机内部的磁场推 力，不仅和各相绕组通入的控制脉冲电流有关，而且还和内部存在的固定磁场大小有 关。它内部的固定磁场，通常是由永久磁铁提供，永久磁铁磁通的路径是通过电磁铁， 越过电磁铁和定子之间的空气隙和定子自身的磁路形成的主磁路回路。当电磁铁没有 电流时，永久磁铁向所有的磁极提供了大致相等的常值磁通。在这个条件下，动子上 没有任何水平推力，动子可以稳定在任何随机位置上。随着各相控制绕组中的电流发 生变化，使得各极下的磁场位置发生变化，因而带动脉冲电机动子产生直线步进运动。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 2 是混合式直线脉冲电机的基本结构图。 蕊一了 蝴唰 厂 r 厂 几几厂 厂 nr 厂 厂 几几厂1 ， 、定予 图2 ，2两相混合式直线脉冲电机的基本结构 f i g u r e2 - 2t h eb a s i cc o n s t r u c t i o no f t h et w op h a s eh y b r i dl i n e a rp u l s em o t o r 2 3 _ 2 混合式直线脉冲电机的运行工作原理 1 ) 单相轮流通电励磁时的情况 当电磁铁e m a 线圈中通入正向电流厶励磁时，在图2 3 中用。和0 来表示，则 由该电流励磁产生的磁通路径如图2 3 a 中实线所示。此时极1 下的磁通为： 庐，= 2 - i - 口 ( 1 ) 设吼= q d 2 ， 则西， 妒k ，而极2 下的磁通为： c p 爿p , d 2 - - 4 h o ， ( 2 ) 极3 和极4 下的磁通大致仍为西。2 。显然，此时极1 所受的磁力最大，极2 所受磁 力几乎为零，极3 和极4 所受磁力由动、定子齿的相对位置所决定，其水平方向的分 力大致大小相等，方向相反，相互抵消，因此，动子的运动由极1 所受的磁力决定。 最后，极1 必定运动到和定子齿对齐为止，如图2 3 b 所示( 极1 对齐定子齿1 ) 。因 为只有在齿对齿的情况下，岳对应磁路的磁导最大，这时动子所受的水平磁推力为 零，动子就处在稳定平衡的位置上。动子由图2 3 a 过渡到图2 3 b 时，动子己经向右 移动了1 4 齿距，即r 4 。如果接下去通电方式变成图2 3 c 所示，则同样可分析得到 下述结论：极4 受磁力最大，并必然使极4 对准定子齿67 ：此时动子又向右移动了距 离。同样可以分析图2 3 d 和图2 3 e 的情况我们可得到如下结论：当单相通电方式按 图2 3 ( e ) 一( d ) 一( c ) 一( b ) 一( e ) 顺序进行，则动子就会以1 4 齿距向左移动。通电方 1 3 太原理1 大学硕士研究生学位论文 式以四种变化状态为周期称为四拍制运行。每经过四种通电方式变化，动子就会移动 一个齿距r i 。各相线圈通电的规律如图2 - 4 所示。 a ) c ) d ) e ) 图2 - 3 混合式直线脉冲电机单相轮流通电励磁时的工作原理 f i g u r e2 - 3t h ew o r kp r i n c i p l eo f t h eh y b r i dl i n e a rp u l s em o t o ri ns i n g l e - p h a s ee l e c t r i f y i n gi nt u r n ( a ) 磁通路径( b ) 状态1 ，线圈a 通正向电流 ( c ) 状态2 ，线圈b 通正向电流( d ) 状态3 ，线圈a 通负向电流 ( e ) 状态4 ，线圈b 通负向电流 厂 甜 jhlihj 一 广 ；广 ! ；。 1； l 1 l li 一 一。一! ：! 一，一h 一，：! 一，卜一 图2 - 4 单相轮流通电时各相绕组的电流波形 f i g u r e2 - 4t h ec u r r e n tw a v e f o r mo f e a c hp h a s ew i n d i n gi ns i n g l e p h a s ee l e c t r i f y i n gi nt u r n 太原理： 大学硕士研究生学位论文 2 ) 两相同时励磁分析 单相轮流通电励磁工作方式缺点是电机的净推力小、阻力大、运行速度有限。其 主要原因是当电机由图2 3 b 过渡到图2 3 c 状态时，由于极1 下有永久磁铁提供的磁 通在作用，极1 和定子齿1 之间实际上存在着相当大的吸力，阻止动子向右运动。如 果当线圈b 通以正向电流时，在线圈a 中同时通入反向电流，这就有利于动子状态 从图2 3 b 过渡到图2 3 c ，因为这时极1 下的磁通近似为零，没有阻力存在，这就是 两相绕组同时通电的优点之一。根据这个设想，各相线圈电流波形变成图2 5 中实线 所示波形。 o o 一、一、 _ = ： 严网 睦睦出厶 、一， 、一， ，。、，7 一、 习习芦问。 区划b 、一， 、 图2 5两相同时通电时电流波形 f i g u r e2 - 5t h ec u r r e n tw a v e f o r mo f e a c hp h a s e w i n d i n gi nt w o - p h a s ee l e c t r i f y i n g 如果让线圈a 通入余弦电流，同时让线圈b 通入正弦电流( 如图2 5 中虚线所 示) ，则在0 - j r 2 范围内，线圈b 中的电流从零逐渐增大到它的最大值，使得极4 下 的磁通由蛾2 逐渐增大到它的最大值蛾，而极3 下的磁通逐渐由西，以下降到零。 同时极1 的磁通随着i a 下降而下降，配合线圈b 使动子如同同步电机一样平滑均匀 地向移动。电流交变一次，动子就移动一个齿距b 。 当a 相电流由最大值下降到零，b 相电流由零上升到最大值时，动子沿轨道推 进了r 一4 。如果在a 相电流由最大值下降的同时，b 相电流由零开始上升，当它们的 值达到相等时，则动子对应地正好移过r 8 。如果将上述a 相和b 相的正、余弦电流 每个周期都用4 0 个等宽不等幅的脉冲代替( 如图2 6 ) ，则每个脉冲的宽度为9 。( 电 1 5 太原理二 ：大学硕士研究生学位论文 角度) ，对于每个脉冲，步进电动机就会相对于原来地位置移动t 4 0 ，此时步距为1 4 0 齿距。可见电机的步距分辨率比原来提高了1 0 倍。这种控制步进电机工作的方法就 是细分技术，利用细分方法可以实现更高的分辨率和精确的定位，这就显示出两相同 时通电励磁方式的优越性。 0 o 滁哩， 够 图2 - 6 用脉冲群逼近正余弦曲线 f i g u r e2 - 6 t h es i n u s o i dd r a w nu pb yt h eas e r i a lo f p u l s e 2 4 两种类型直线脉冲电机的比较和应用 变磁阻式直线脉冲电机原理直观，结构简单。由于无稀土永磁体，加工工艺也 简单，在控制方面，仅需单极性驱动电源，因此控制电路简单，总成本低，可靠性高， 由于电机始终处于丌关运行状态，耗电省，发热少。但该电机不宣微步控制，推力仅 靠磁路不对称提供，数值偏小，力矩波动大，在不需要微步距的场合，总是优先考虑 成本低廉的变磁阻式直线脉冲电机，例如美国i b m 公司开发的用变磁阻式直线脉冲 电机驱动的高速打印头等。 混合式直线脉冲电机虽然结构要复杂些，特别是在加入稀土永磁材料以后，给 电机的加工带来较大的困难，但该类电机推力大，易于实现微步控制，细分电路简单， 1 6 太原理工火学硕士研究生学位论文 在位置精度和分辨率要求较高的场合具有很大的优点。在相同体积情况下，混合式产 生的最大推力要比变磁阻式直线脉冲电机的大。可见，在体积重量要求严格的条件下， 以及在小步距、大推力、高精度的应用场合中，混合式直线脉冲电机是必需的选择。 特别是在稀土永磁混合式直线脉冲电机不加控制电流的情况下，永久磁铁磁通能够产 生一定的锁定能力，以保留动子在所期望的步距位置上。这对于失电时必须保持在所 希望位置的用户来说，是一种很有用的特性。 显然，通过以上比较，更进一步明确了混合式直线脉冲电机的优点： 1 ) 混合式直线脉冲电机具有行程长、定位精度高的特点，系统无须直线位移传 感器，即可达到定位目标。 2 ) 混合式直线脉冲电机不但直流供电，而且系统电路简单，可丌环控制，也可 闭环控制。 3 ) 混合式直线脉冲电机加工工艺简单，电机的引出线少，系统可靠性高。 4 ) 混合式直线脉冲电机控制系统对控制参数不敏感，其控制一致性好。 5 ) 混合式直线脉冲电机可采用细分控制技术，从而实现控制系统的推力波动的 减小和高平稳性。 2 5 本文研究用样机s l p m u 0 2 5 a 简介 图2 7s l p m u 0 2 5 a 的外观图 f i g u r e2 - 7 t h eo u t l i n eo f s l p m u 一0 2 5 a 本文以日本神钢电机株式会社生产的两相混合式直线脉冲电动机s l p m u 一0 2 5 a 为研究样机，对两相混合式直线脉冲电动机的驱动控制进行研究分析。s l p m u 一0 2 5 a 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 是作为微型计算机末端的薄型打印机的早期产品而设计开发的，它设计独特，性能良 好。其参数见附录i ，其外观构造和基本结构如图2 7 ，2 - 8 所示。 图2 - 8