（机械电子工程专业论文）飞机发动机转速模拟技术的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术的发展，步进电动机调速系统已由模拟调速系统向高 精度、高柔性的数字调速系统发展。步进电动机的应用已经渗透到数字控制 的各个领域，其开环控制的特点尤其在数控机械中得到了广泛的应用。近十 几年来，步进电动机在o a 机器( o f f i c ea u t o m a t i o n ) ，f a 机器( f a c t o r y a u t o m a t i o n ) 和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而 被广泛使用。 本文基于飞机发动机转速模拟装置的设计开发，进行如下的设计研究工 作： 一、设计步进电动机调速测速控制系统。根据步进电动机的动力学方程 和矩频特性曲线推导出按指数曲线变化的升降速脉冲序列的分布规律，获得 最佳升降速曲线，这样能够保证频率增加时输出最大的转矩，充分发挥步进 电动机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。上位机与下位机通过无源 r s 2 3 2 - 4 8 5 接口串行通信。 二、研究步进电动机的驱动原理，设计一个高频性能好、效率高的恒流 斩波功率放大电路。 三、研究临界转速的影响因素和简单计算，进行高速轴的设计，从而完 成机械增速器的设计。 实验结果表明，输出的高转速比较稳定，动态性能较好，达到了预定的 目标。本步进电动机微机控制系统提供了开放的软件环境，可扩充性较好， 若进行适当的调整和修改，此控制系统可广泛应用于其它机电一体化设备 中。对本调速系统的研究，也为以后同类系统的设计、开发提供了一定的参 考。 关键词步进电动机：控制系统；临界转速 兰玺鎏三兰銮耋三兰堡圭兰篁篓三 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r i c s a n de l e c t r o n t e c h n o l o g y ，t h e a n a l o g ys p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo fs t e p p i n gm o t o ri sb e i n gr e p l a c e db yt h e d i g i t a ls p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mw h i c hh a sh j 曲p r e c i s i o na n dh i g hf l e x i b i l i t y t h e u s eo fs t e p p i n gm o t o rh a sb e e np e n e t r a t i n gi n t oe v e r ye r e ao fd i g i t a lc o n t r o l e s p e c i a l l yb e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i co fo p e n e d l o o pc o n t r 0 1 r e c e n t l yi th a s b g e ne x t e n s i v e l yu s e di no f f i c ea u t o m a t i o n ，f a c t o r ya u t o m a t i o na n dp e r i p h e r a l e q u i p m e n to fc o m p u t e r a se l e c t r o m o t o ru s e di nc o n t r o la n dd r i v e b a s e do nt h ed e s i g no fd e v i c eo fr o a t a t i o ns p e e ds i m u l a t i o nf o ra i r p l a n e e n g i n e ，t h ew o r k 1w i l ld oi sa sf o l l o w s ： f i r s t l y ，d e s i g nac o n t r o ls y s t e r mo fs p e e da d j u s ta n dm e a s u r ef o rs t e p p i n g m o t o r b a s e do nk i n e t i ce q u a t i o no fs t e p p i n gm o t o ra n dc u r v eo ft o r s i o na n d f r e q u e n c y sc h a r a c t e r i s t i c ，f i n da b e s tc u r v ef o rs p e e d u p g r a d i n ga n dd e c l i n i n gf o r s t e p p i n gm o t o r ，t h e n t h e s t e p p i n gm o t o r c a l lh a v em a x i m a lt o r s i o nw i t ht h e i n c r e a s eo ff r e q u e n c y ，t h ec a p a c i t yo fs t e p p i n gm o t o rw i l lb eu s e dw e l l ，a n dt h e c o n t r o ls y s t e r mc a nr u nw e l l w eu s ea l li n t e r f a c eo fr s 2 3 2 - 4 8 5t oc o m m u n i c a t e b e t w e e nm i c r oc o n t r o l l e ra n d c o m p u t e r s e c o n d l y ，s t u d yt h ep r i n c i p l eo ft h ed r i v eo fs t e p p i n gm o t o ra n dd e s i g na d r i v e r h a v i n gg o o d c h a r a c t e r i s t i ca n dh i g he f f i c i e n c y t h i r d l y ，s t u d yt h ee l e m e n t st h a th a v es o m e t h i n g w i t hc r i t i c a ls p e e d ，d e s i g n a na x i st h a tc a nr u nw i t ha h i g hs p e e d ，a n dt h e nd e s i g na d e r a i l l e u r f r o mt h ee x p e r i m e n tw ec a l ls e et h a tt h es t e p p i n gc a l lr u nw e l la n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ci sg o o d ，c a l lm e e tt h ed e m a n d t h ec o n t r o ls y s t e r mp r o v i d ea no p e n s o f te n v i r o n m e n t ，c a na d j u s te a s i l y ，i fw ea m e n di tc o r r e c t l y ，i tc a nb eu s e di n o t h e ra r e a w h a t sm o r e ，t h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o ls y s t e r mc a np r o v i d es o m e r e f e r e n c e sf o rt h es t u d yo fs i m i l a rc o n t r 0 1s y s t e r m k e y w o r d ss t e p p i n gm o t o r ；c o n t r o ls y s t e r m ；c r i t i c a ls p e e d 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景及实际意义 第1 章绪论 本课题来源于哈尔滨飞机制造公司某型号直升机综合试验台改造项目中的 一个子项目飞机发动机转速测量装置的校验。 某型号直升机综合试验台是用于对某型号直升机进行地面通电检查、试验 的重要设备。在调研期间，通过对原设备结构和工艺的了解，得知该设备是8 0 年代从法国引进的，当时比较先进。但是随着飞机装备设备的不断更新，性能 的日益改进，原综合试验台无论是从测试手段还是从测试方法上来说都已经相 当落后，已经很难满足现在生产和管理的需要，不能胜任对现有飞机的检查与 试验，因此必须对原综合试验台进行改造。对综合试验台的改造部分适用于飞 机所装备电气产品的自动及手动检测，由扭矩表模块、燃油压力表模块、主减 滑油压力模块、液压控制系统模块、发动机主告急模块、发动机超应急系功率 控制系统模块、主减滑油警告模块、转速表模块共8 个试验模块组成。 飞机发动机转速测量装置转速表，是由飞机发动机直接驱动的，在地 面上检测时不可能用功率如此大的装置驱动它，因此只能设计出一个功率较小 的装置模拟飞机发动机的转速，驱动转速表，对它进行校验。 通过本课题的研究，能够设计出一种在实际工业环境下运行可靠、性能优 良、经济技术指标较高的步进电动机的数字调速测速控制系统。若对本系统做 适当的调整和修改，它还可广泛应用于国民经济各个领域，如医疗器械、仪器 仪表、化工、轻纺以及家用电器等领域。 1 2 发动机转速模拟的实现方法 从目前情况来看，飞机发动机转速模拟一般有三种办法来实现： 一是采用不加调速装置的电动机。因为电动机不加任何调速装置，在接有 大功率负载对，电动机转速下降，动态性能恶化，现在已经很少采用这种方 法。 二是采用电液伺服系统。由于电液伺服系统有着响应快，功率重量比 大，负载刚性好等突出特点，用于飞机发动机地面模拟系统极大的改善了系统 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的动、静态品质。7 0 、8 0 年代先后采用了串联阀控液压马达速度系统( 响应 快、效率低) 、泵控液压马达速度系统( 响应慢、效率高) 及并联阀控液压马达速 度系统( 效率高，响应较快) 。但是这种转速模拟系统需额外的油源，占地面积 较大【”。 三是采用调速装置电动机系统。电动机调速可以分为交流调速和直流 调速两种形式。可以通过改变电动机的极对数、转差率及输入频率来调节交流 电动机的转速，相应的调速方法有变极调速，串级调速及变频调速。8 0 、9 0 年 代以来，随着电子电力技术的发展，特别是控制技术的发展，变频调速获得了 飞跃的发展。其优点是：变频装置设置、维护容易：交流异步电动机结构简 单，响应速度较快，能够做到很高的调速比。因此现在调速耩度要求很高的地 方大多改用了交流异步电动机变频调速系统。直流调速调速比较容易实现，控 制电路简单，具有动态性能好、节能高效等优点【2 】【3 1 。本飞机发动机转速模拟 系统要求转速在o - 1 2 0 0 0 r m 的范围内线性可调，调速范围很宽，只有步进电动 机能够达到这个要求，因此执行元件采用步进电动机。另外步进电动机还具有 如下优点1 4 】： ( 1 ) 步进电动机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小 及其波形的影响，也不受环境温度变化的影响； ( 2 ) 步进电动机的步距误差不会长期积累，每转一周积累误差就会自动 变为零： ( 3 ) 易于采用脉冲数字信号进行控制，起动、停止、反转及其它运行方 式的改变可以在少量的脉冲周辩内完成。 1 3 步进电动机调速系统概述 1 3 1 步进电动机发展概况 步迸电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为s t e pm o t o r 或 s t e p p i n gm o t o r p u l s em o t o r , s t e p p e rs e r v o ，s t e p p e r 等。步进电动机的输入是脉冲 信号，它绕组内的电流既不是通常的交流电，也不是恒定的直流电，而是脉冲 电流。步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁磁阻最小原理，其原始模型起 源于1 8 3 0 年至1 8 6 0 年间，定、转子采用双凸极结构。2 0 f l 纪6 0 年代后期，随着 永磁材料的发展，在步进电动机本体方面，各种实用性步进电动机应运而生， 而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近3 0 年间，步 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 进电动机迅速地发展并成熟起来，从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流 电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的种基本类 型。自本世纪中叶，步进电动机的应用渗透到数字控制的各个领域，其开环控 制的特点尤其在数控机械中得到了广泛的应用。近十几年来，步进电动机在 o a 机器( o f f i c ea u t o m a t i o n ) ，f a 机器( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 和计算机外部控制设备 等领域作为控制用电动机和驱动用电动机而被广泛使用。 1 3 2 步进电动机的驱动和控制概况 步进电动机的驱动根据不同的输出结构划分经历了单电压驱动、高低压驱 动和恒流斩波驱动三种形式。 单电压驱动电路在6 0 年代初期国外就已大量使用，它的主要特点是结构简 单、成本低，在绕组回路中串联电阻，用以提高电路的时间常数以提高电机的 高频特性。但串联电组的做法将产生大量的热，对驱动电源的正常工作极其不 利，尤其在高频工作时更加严重，因而它适用于小功率或对性能指标要求不高 的步进电动机的驱动。 随着对步进电动机大功率驱动和高频工作的要求，6 0 年代末出现了高低压 驱动电路，这种电路由于电流波形得到了很大的改善，电机的矩频特性很好， 启动和运行频率得到了很大提高。由于绕组回路中串联若干个较小的电阻，所 以电源功耗较小。但由于电机旋转反电动势、相互间互感等因素的影响使得电 流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。 为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，7 0 年代中期 研制出斩波驱动电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下呈 锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不 需要外接电阻，整个系统的功耗下降，效率提高，因而恒流斩波电路应用相当 广泛。 目前，国外对步进电动机的控制与驱动的一个重要发展方向是大量采用专 用芯片，结果是大大缩小了驱动器的体积，明显提高了熬机的性能。比较典型 的芯片有两类，一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电动机实现合理 的加减速过程，同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电动机， 实现合理的加减速过程便可以使其达到较高的运行频率丽不失步或过冲。采用 这类专用集成电路，可以驱动3 5 相步进电动机，可以选择励磁方式和转速精 度，另外，可以根据负载的不同选择设定转速范围宽度、加减速的过渡时间及 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 上升坡度。另一类芯片的核心是实现细分技术，例如日本东芝公司的t a 7 7 7 4 h 两相步进电动机细分控制芯片，其内部集成了p w m 斩波控制和函数型双极驱 动电路细分控制功能。目前由于集成芯片受到耐压、电流容量的限制，一般只 能用于小功率步进电动机的驱动。 从上面的分析可以看出，国外所采用的集成技术由于涉及到微电子技术、 集成电路加工技术、电力电子技术的前沿，在我国目前的条件下还暂时不能实 现，因此采用集成加分立元件开发特殊功用的步进电动机驱动器是比较现实可 行的做法。 在微型计算机出现以前，步进电动机的控制完全由硬件来实现。比如环形 分配器，就是由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成，不同类型的 电机、不同的工作方式就需要有不同的环形分配器，如果换了步进电动机类型 或改变了工作模式，则整个硬件电路需要重新设计。随着以m c s 5 1 系列为代 表的单片机的迅速普及，基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用 【5 】，此类环形分配器仅需要更换不同的软件即可适应各种电机，而无需变更硬 件，具有极大的灵活性。 此外，在步进电动机的速度控制系统中，寻求最佳升降速曲线是根据步进 电动机的动力学特性及矩频特性得到的，在数学上这种曲线方程比较复杂，很 难找到一种硬件电路来模拟它，只能在一定的频段内作一种比较大的近似来模 拟【6 】。以前一般的升降速规律设计，常常选择按直线规律升降速，这种控制方 法简单，由于它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度，所以它不能保证在升 降速的过程中步进电动机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应， 未能很好的发挥电机的加速性能。现在可以通过软件编程来精确的模拟升降速 曲线。本文由步进电动机的动力学方程和矩频特性曲线推导出指数规律的升降 速控制算法，这样能够使得频率增高时，保证输出最大的力矩，能充分发挥步 进电动机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。 1 4 课题的实现方案 本课题的核心内容是设计最高输出转速为1 2 0 0 0 r m 的调速装置来模拟飞机 发动机的转速。执行元件采用的是德国百格拉公司生产的型号为v r d m 3 1 1 1 7 的反应式步进电动机，它的最高转速为3 6 0 0 r m ，为了实现最高输出转速是 1 2 0 0 0 r m ，还需要设计一套增速器。 关于步进电动机控制部分，硬件以8 0 5 1 单片机为核心实现脉冲分配和接受 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 上位机指令完成响应控制。上位机与下位机通过无源r s 2 3 2 4 8 5 接口串行通 信。上位机的应用软件采用l a b v i e w 编写，可以在w i n 9 x 、w i n n t 、w i n 2 k 系统 平台运行。 1 5 本文的主要研究工作 本文主要拟完成以下几点工作： ( 1 ) 设计步进电动机调速测速控制系统。根据步进电动机的动力学方程 和矩频特性曲线建立系统的数学模型，采用指数规律的升降速算法，对升降速 的过程进行离散处理，用定时器控制发出脉冲的时间间隔，采用查表和计算相 结合的方法实现步进电动机的升降速过程的控制； ( 2 ) 研究步进电动机的驱动原理，设计一个高频性能好、效率高的恒流 斩波功率放大电路； ( 3 ) 研究临界转速的影响因素和简单计算，进行高速轴的设计，从而完 成机械增速器的设计。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章步进电动机的原理与驱动 步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各 种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量 与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电动机是一种将电脉冲转化为 角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机 按设定的方向转动一个固定的角度( 步距角) ，它的旋转是以固定的角度一步一 步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目 的：同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调 速的目的吼 2 1 步进电动机的工作原理和动态特性 2 1 1 步进电动机的工作原理 图2 - 1 是一个三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个 均布的大齿，其夹角是6 0 。各大齿上套有线豳，按图2 - 1 连成a 、b 、c 三相 绕组。各个大齿的内表面又有若干个均布的小齿。三相反应式步迸电动机的转 子是一个圆柱形磁铁，外表面沿圆周方向均匀地布满小齿。转子小齿的齿距是 和定予的小齿的齿距相同的。设计时应使转子齿数能被二整除而不能被相数整 除。当某一绕组通电而转子可以自由旋转时，该相两个大齿的小齿吸引相近的 转子的小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿相对应的位置，而其它 两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开三分之一齿距，形成齿错 位。例如取转子齿数为4 0 ，则齿距角为9 。，相邻两个大齿所跨越的小齿数为 竺。6 三7 一三 633 因此当a 相通电，磁拉力使a 相大齿下的定、转予小齿对齐时，b 相下 面的定、转子小齿将错开三分之一齿距，也就是3 。接下来如让a 相断电， b 相通电，转子就会转过3 。，形成b 相大齿下的定、转子小齿对齐的状况。再 让b 相断电，c 相通电，转子就会再转过3 。按a b c a 的顺序轮 流通电，这台步进电动机就会以每步3 。的步距角一步一步地旋转。因为任何时 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 候都只有一相绕组通电，且每一循环包含三种通电状态，故称为单三拍运动方 式。 一 ， 图2 - 1 三相反应式步进电动机的结构示意图 f i g 2 1t h es c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no f3p h a s ev rs t e p p i n gm o t o r 1 一定子2 转子3 _ 一定子绕组 三相步进电动机还有另外两种通电方式，一种是双三拍运行，即按 a b b c c a a b 这样的次序循环通电。还有一种是单双六拍运行，即 按a a b b b c c c a a 这样的次序循环通电。六拍运行时，步距 角将减少一半。 反应式步进电动机的步距角巩可按下式计算： 以。塑 ( 2 - 1 ) 。 n z ， 式中z ，转子齿数； 运行方式中的拍数，n - o n ，m 为步进电动机的相数， k 一1 ( 单拍或双拍) 或2 ( 单双拍) 。 控制绕组中通电状态的改变是由外加输入脉冲驱动电路来实现的。每当外 电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态就改变一次，与此对应步进电动机转 动一个步距角。因此步进电动机转过的步距角数等于外加脉冲数，于是步进电 动机的转速为： n 盟( 2 - 2 ) n z ， 式中h 步进电动机转速 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ，步迸电动机通电的脉冲频率 步进电动机的转速用步距角表示为： 11 肛6 0 “方f 。言吼， ( 2 _ 3 ) e b 由式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可以看出，步进电动机的相数和转子的齿数越多， 步距角就越小，步进电动机在脉冲频率一定时的转速也就越低。当步进电动机 的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入的频率成正比。因此，改变输 入的脉冲频率就可以改变转速，改变通电状态顺序就可以实现正反转。由于这 些特性，在步进电动机控制系统中，能够按照控制命令实现启动、停止、升降 速、正反转等操作吼 2 1 2 步进电动机的动态特性 机械负载位置的变化往往需要步进电动机的连续运行，电机转子必须产生 足够大的转矩，以克服摩擦和加速总惯量，电机无能力产生足够大的力矩时可 能引起电机的失步，造成转子步进与相励磁之间失去同步，从而产生不正确的 负载定位。因此步进电动机加速、减速、恒速运行时产生的转矩以及它能够驱 动负载的最高速度等特性至关重要。这些特性常以失步转矩频率特性( 矩频 特性) 曲线表示。矩频特性一般用启动矩频特性和运行矩频特性来表示。他们 之间的典型曲线如图2 2 所示。启动矩频特性是牵入转矩与频率之间的关系曲 线，运行矩频特性曲线是失步转矩与频率之间的关系曲线【可【8 1 。 t 删m l r ) 图2 - 2 启动矩频特性和运行矩频特性之间的关系图 f i g 2 - 2t h er e l a t i o nb e t w e e ns t a r t u pa n d r u nf o rt h ec h a r a c t e r i s t i ct o r q u ea n df r e q u e n c y 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 当工作在a 区范围内，步进电动机可以停止和再启动，或者反向转动，而 不会失步。步进电动机在a 区的工作速度上所产生的最大力矩坐标位于启动矩 频特性曲线上，启动矩频特性曲线与纵坐标的交点为最大运行力矩，与横坐标 的交点为最大启动频率。b 区为单向工作区，在此区电机不能直接启动。为了 在b 区工作，电机必须首先在a 区工作，然后利用控制加速度斜坡，转变到 b 区。若想达到不失步停止，也要限制减速度，从a 区转移到b 区。c 区为失 步区，在任何情况下都是不允许的。 2 2 步进电动机的驱动 从微控制器输出口或从环行分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫 安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使 其增大到几至十几安培，从而驱动步进电动机运转。步进电动机的工作性能在 很大程度上取决于驱动电源的特性。对其每一相绕组来说，驱动电源相当于一 个电流无触点开关，理想的驱动电源应使通过绕组的电流尽量接近矩形波。由 于步进电动机绕组有很大的电感，要做到这一点是比较困难的 1 0 1 1 1 】。 步进电动机驱动电路的主要构成如图2 3 所示，一般由环形分配器、信号 处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有 多种保护线路1 1 “。 圈2 - 3 步进电动机驱动电路构成 f i g 2 - 3t h es w a c t u x eo fs t e p p i n gm o t o rd r i v i n g c i r c u i t 从脉冲环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级 ( 采用并行控制时不需要用脉冲分配器) 。信号放大的作用是将接收到的信号 加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这中间一般既需电压放大，也需电 流放大。信号处理是实现信号的某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特 殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种 控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。 堕至鎏三些銮兰三耋堡圭兰簦鎏兰 推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大 信号。有时，推动级还承担电平转换的作用。 保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过流保护、过热 保护、过压保护、欠压保护等。有时还需要对输入信号进行监护，发现输入异 常也提供保护动作。 步进电动机对驱动电源来讲是一种感性负载，为了提高步进电动机的性能 指标和系统的效率，设计步进电动机驱动电路应考虑以下问题【”1 ： ( 1 ) 通电周期内能提供足够大的矩形波或接近矩形波的电流 步进电动机负载的电感较大，由于存在反电动势，电流不可能突然建立或 突然消失，它将按指数规律上升或下降，如下式所示： 叫h 卜鲁卜1 味4 ， 式中，电流稳态值 r 时间常数f 一三 r + r l 电机绕组电感 r 电机绕阻内阻 r 限流电阻 般要经过3 至4 个f 的时间，电流才能达到稳态值。因此，步进电动机在 一个通电周期中，实际电流平均值比理想的方波小，使得运行时的输出转矩变 小。在最后达到额定电流相同的情况下，电流上升时间越长，输出转矩减小越 明显。随着运行频率的增加，每相通电周期变得更短，r 的影响相对加大，有 可能电流刚刚建立就被切断了，导致高频输出转矩变小，而在关断时，电动机 励磁绕组中的电流也不能立即消失，仍按指数规律衰减。由步进电动机的运行 原理知，当脉冲指令切换到下一励磁，而前一相电流还没有衰减到零，则产生 一个负转矩，使平均转矩更加减小。因此设法改善驱动电源的电流波形，是步 迸电动机驱动系统的重要任务之一。 ( 2 ) 要求驱动电源运行可靠、稳定 步进电动机励磁绕组对电源来讲是种感性负载，尤其是对功率大的步进 电动机电感更大，而且又处于开关的瞬间状态。在断电的瞬间，电机绕组两端 会产生很高的反向感应电动势，有时可高达数百甚至上千伏，如果回收电路设 计不好，将对功率驱动开关元件造成很大的冲击，甚至造成击穿损坏。为提高 哈尔滨工业太学工学硕士学位论文 驱动电源可靠性，我们在实际工程中不仅要筛选元件、合理选择参数，还要很 好的考虑保护措旎，才能保证驱动电路的可靠、稳定。 ( 3 ) 要求驱动电源效率高、功耗小。 ( 4 ) 要求驱动电源成本低，便于生产。 步进电动机驱动由单电压、高低压驱动、恒流斩波驱动等几种典型形式。 作者设计了一个恒流斩波驱动功率放大电路，其原理见第四章。 2 3 本章小结 本章主要介绍了步进电动机的工作原理、动态特性和步进电动机的驱动， 提出了设计步进电动机驱动电路时应注意的问题，为后面驱动电路的设计做好 了准备。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章步进电动机的控制和控制系统的数学模型 步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运 动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数，作连续步进运动时，其旋 转速度和输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影 响。由于步进电动机直接接受数字量的控制，所以特别适于采用微控制器进行 控制【1 4 1 1 5 1 。 3 1 步进电动机的控制 3 1 1 步进电动机控制系统的构成 旧式的步进电动机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电动机组 成，如图3 - 1 所示。步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正 反转控制门等。其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电动机的 转动和正反向控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放 大，以驱动步进电动机转动。在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本 高，限制了它的应用。 脉冲信号 方向信号 图3 - 1 步进电动机控制系统的构成 f i g 3 - 1t h es t r u c t u r eo f ac o n t r o l s y s t e r m o f s t e p p i n gm o o r 圈3 - 2 徽控制器控制步进电动机的系统结构 f i g 3 2t h ec o n t l o ls y s t e r m s t r u c t u r eo f s t e p p i n g m o t o ru s i n gm i c r oc o n t r o l l e r 随着微控制器的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的 数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向1 4 】1 1 6 】。这 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。图3 2 为微控 制器控制步进电动机的系统结构图。 3 1 2 步进电动机的控制方式 用微控制器对步进电动机进行控制有开环控制和闭环控制两种。开环控制 没有位置反馈，不需要光电码盘之类的位置传感器，因此控制系统的价格比较 低。为了保证定位不出错，系统设计时要留出足够的裕度，也就是说，步进电 动机的驱动脉冲频率不能设计得太高，电机的机械负载不能太重。对于闭环控 制，如果步进电动机失步，微控制器发现电机的实际位置没有达到给定值，就 补发脉冲，直到电机的实际位置和给定值一致或相当接近为止【1 7 】。理论上说， 闭环控制比开环控制可靠，但是步进电动机的闭环控制系统价格昂贵，还容易 引起持续的机械震荡，因此步进电动机宜采用开环控制【1 8 l i 曲】。本设计采用开环 控制。 不论是开环还控制还是闭环控制，用微控制器对步进电动机进行控制时， 控制方法可以分为串行控制和并行控制两种。 1 串行控制 串行控制中，微控制器与步进电动机的功率接口之间只需要两条控制线： 一条用于发送走步脉冲( c p ) ，另一条用于发送控制旋转方向的电平信号。图 3 3 就是表示如何用微控制器通过串行控制来控制步进电动机的。 功率接口 走步脉冲广一 熊箧罄 制器l 方向电平1 刀。 功率 放大 器 步进 电动 机 图3 - 3 步进电动机串行控制 f i g 3 - 3s e r i a lc o n t r o lo fs t e p p i n g m o t o r 串行控制的功率接口电路含有一个脉冲分配器( 环形分配器) 。其作用是 将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲。脉冲分配器用来接受来自控制器的 c p 脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的 信号。每来一个c p 脉冲，环形分配器的输出转换一次。它有一路输入，多路 输出。随着一个个脉冲的输入，各路输出电压轮流变高和变低。例如三相脉冲 分配器有a 、b 、c 三路输出，采用单三拍运行方式时，当计算机将一个个脉 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 冲送入脉冲分配器后，三路输出电压将按a b c a 的次序轮流变高和 变低。三路电压分别经功率放大器向步进电动机的三相绕组供电，步进电动机 就一步一步地旋转起来。脉冲分配器一般还有一个旋转方向控制端，根据方向 控制端的电平是低还是高，决定三路输出电压的轮流顺序是a b c a 一 还是a c b a - 即决定步进电动机的转向是正还是反。 2 并行控制 在并行控制系统中，微控制器通过数条并行口线直接发出多相脉冲信号， 再通过功率放大后，送入步进电动机的各相绕组。三相功率放大器中不包括脉 冲分配器，其功能由微控制器来实现。并行控制方案如图3 - 4 所示。 图3 - 4 步进电动机并行控制 f i g 3 _ 4p 砌c j c o n t r o l o f s t e p p i n g t o o ( o r 3 1 3 步进电动机的升降速控制 步进电动机可以方便的进行速度的控制。控制步进电动机的运行速度，实 际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。 确定时钟脉冲的周期有两种方法：一种是软件延时，通过编程加适当的语 句来控制时间的长短，调用延时的子程序实现对速度的控制；另一种方法是用 定时器，可利用单片机的某个定时器，加载适当的初值，经过一段时间，定时 器溢出，产生中断信号，暂停主程序的运彳亍，转而执行定时器中断服务程序， 于是产生硬件延时效果。若将步进电动机换相的子程序放在定时器中断服务程 序中，则定时器每中断一次，步进电动机就换相一次，从而实现对电机的速度 控制【州。 1 步进电动机的失步 在步进电动机的运行过程中，将可能出现失步，其失步原因有两种： ( 1 ) 转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生 的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转 子速度跟随定子磁场的旋转，从而引起失步。 ( 2 ) 转子的平均速度高于定予磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进过程中获得过多的能 量，从而产生前冲或后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。 1 步进电动机的失步 在步进电动机的运行过程中，将可能出现失步，其失步原因有两种： ( 1 ) 转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生 的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转 子速度跟随定子磁场的旋转，从而引起失步。 侣) 车车子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时 间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进过程中获得过多的能 量，从而产生前冲或后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。 所以要使步进电动机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在 于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电动机 所提供的转矩，又不能超过这个转矩。 2 步进电动机升降速曲线的分析 正是由于步进电动机失步的原因，需要对步进电动机进行升降速的定位控 制，运行速度都需要一个加速一恒速一减速一低恒速一停止的过程【2 1 】，如图3 5 所示。各种系统在工作的过程中，都要求升降速过程时间尽量的短，恒速时 间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最 短，这就必须要求加速、减速的过程最短。 | 。 图3 5 步进电动机直线规律升降速曲线 f i g 3 - 5t h es p e e d su p g r a d i n g a n d d e c l i n i n g c r r v co f s t e p p i n gm o t o ru s i n g l i n e a rl a w 一般的升降速规律设计，常常选择按直线规律升降速，它的脉冲频率的变 化有一个恒定的加速度。在步进电动机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的 加速度和步进电动机转子的角加速度成正比。步进电动机转子的角加速度是由 步进电动机的输出力矩决定的，步进电动机的输出力矩随着驱动脉冲频率的上 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 升而下降，也就要求步进电动机转子的角加速度随着脉冲频率的上升而下降， 而采用直线规律的升降速却使步进电动机转子的角加速度保持不变。所以，只 有在步进电动机的转矩随脉冲频率的上升保持恒定时，直线规律的升降速才是 理想的升降速线，而当步进电动机的转矩随脉冲频率的上升而下降时，它就不 是理想的升降速线，它不能保证在升降速的过程中步进电动机转子的角加速度 的变化和它的输出力矩变化相适应，不能很好的发挥电机的加速性能。如果要 求电机尽可能快的速，则所有频率下都必须产生最大转矩，以这个转矩克服负 载并加速系统惯量。 本设计按照步进电动机的力学方程和矩频特性曲线推导出按指数曲线变化 的升降速脉冲序列的分布规律。因为矩频特性是描述每一频率下的最大输出转 矩，即在该频率下作为负载加给步进电动机的最大转矩，所以把矩频特性作为 加速范围下可以达到( 但不能超过) 的最大输出转矩来拟订升降速脉冲序列的分 布规律，就接近于最大转矩控制的最佳升降速规律。这样能够使得频率增高 时，保证输出最大的力矩，即能够对最大的力矩进行跟随，充分的发挥步进电 动机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。具体的控制算法见下一节。 3 2 步进电动机控制系统的数学模型 由上节介绍可知，把矩频特性作为加速范围下可以达到( 但不能超过) 的最 大输出转矩来拟订升降速脉冲序列的分布规律，就接近于最大转矩控制的最佳 升降速规律。所以用步进电动机的动力学方程和矩频特性皓线推导出步进电动 机升降速的最佳控制算法，并用单片机对其进行离散控制。 3 2 1 步进电动机升降速的控制算法 在步进电动机的控制系统中，如图3 6 ，给一个电脉冲信号，步进电动机 就转动一个角度或前进一步。设输入为脉冲数n ，输出为转角0 ，则0 一n o ， ( 口，为步矩角) ，这就是步进电动机输入输出的比例关系。 竺剖嫠蓬畲 _ 叫= y 盆 黼芦动机i 图3 - 6 步进电动机输入与输出关系图 f i g 3 6t h er e l a t i o nb e t w e e ni n p u ta n do u t p u to fs t e p p i n g m o t o r 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 步进电动机的升降速特性与步进电动机、驱动电源及负载特性等密切相 关，因此对整个步进电动机拖动系统而言，其升降速特性的影响因素很多，为 方便起见，将步进电动机的电拖动系统看作一个惯性阻尼系统。这样，步进电 动机的动力学方程式可表示为【2 2 】： n 窘+ 8 警+ 正( 3 - 1 )出2出 式中r 输出转矩 j 转动惯量 口阻尼系数 瓦负载转矩 如设为步进电动机的回转角速度，。皇晏，则( 3 1 ) 式用表示的方程 为： t ，警+ 矗+ 瓦 ( 3 2 ) d f 。 如驱动脉冲的频率警用，表示，由吐，一吼警可得出 - - 0 s ，则( 3 - 2 ) 式 4 r口f 可表示为： r 。j 以嬖+ b o , f + 瓦 如果电机尽可能快的加速，则所有频率下都必须产生最大转矩， 知步进电动机的运动一定满足下式： n 眠柚8 n t w 式中步进电动机的输出转矩。 假设矩频特性曲线是线性下降的，电机的输出转矩可由下式求出 。一可 式中。最大转矩 k 假定输出转矩按赢线变化时的斜率( 如图3 - 7 ) k 。& q = 曼 厶 1 7 ( 3 0 ) 由式( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 式中 对匝负载转矩瓦f 步进电动机的最鬲运行频率。 可得在正常工作范围内，运动方程为： j o , 罢；+ b o ，+ 瓦* z k 。一可即： a t j o 。a m f + b 8 ，f + t l t m 。一k f = o ( 3 - 6 ) 假设电机从零开始升速，即初值f 一0 ，f 一0 时，( 3 - 6 ) 式方程的解为： ，丘(1一e彳)(3-7) 式中正- 幕一面j o , ( 3 - 8 ) 图3 - 7 步进电动机矩频特区线的近视逼近 f i g 3 - 7t h ea p p r o x i m a t ea p p r o a c ho f t h e c u l n eo f t o r q u ea n d f r e q u e n c y 如果忽略阻尼转矩，即阻尼系数b 一0 ，那么厶，否则实际的指数规 律曲线中的无要略小于，_ 。r 是决定升速快慢的时间常数，其数值可由( 3 8 ) 式理论计算得出，实际工作中也可由实验来确定。在工程上认为经过时间t - f 时达到稳定速度 2 3 1 。( 3 7 ) 式表明驱动脉冲的频率，应随时间t 作指数规律上 升，这样就可以在较短的时间内使步进电动机的转速上升至要求的运行速度。 鉴于大多数的步进电动机的矩频特性都近似线性递减，所以上述的控制规律为 最佳。丘是负载转矩频率特性曲线和失步转矩频率特性曲线的交点，也就是 随着频率的增加失步转矩减小到与负载转矩相等时的失步频率。步进电动机必 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 须在低于该频率下运行才能保证不失步。所以 可由给定的步进电动机的矩 频特性曲线及所带动的负载转矩来求得。 3 2 2 步进电动机升降速过程的离散处理 如果忽略阻尼转矩，则由( 3 7 ) 式可知升速算法为： 一t l 厶( 1 一e “)( 3 9 ) 单片机使用定时器中断方式来控制步进电动机的速度，那么升降速控制实 际上就是不断改变定时器的装载值的大小。为了便于编制程序，不必每步都