（电机与电器专业论文）基于单片机的电机运动控制系统设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ep a p e rt h o m u 曲l ys t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ro n m o t o rm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m ，t h es t u d i e sb a s e do nt w o p r a c t i c a lp r o j e c t s ：h y b r i d s t e p p e rm o t o rd r i v i n gc o n t r o ls y s t e ma n de l e c t r i c a l l yo p e r a t e dc h a i rc o n t r o ls y s t e m b a s e do ne f f e c t i v eu s eo f m i c r o p r o c e s s o ri n t e r i o rp e r i p h e r a la n dd e t a i l e d c o m p r e h e n s i o no f t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m o t o rm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m ， t h ep a p e rf u r t h e re x c a v a t e st h ep o t e n t i a lo f a p p l ys i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri nm o t o r m o v e m e n te o n t r 0 1d o m a i n ，t h u sr e d u c e st h es y s t e mc o s t ，e n h a n c e st h es y s t e m p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c t h ep a p e ri n t r o d u c e sd e s i g np r o c e s so f t h e s et w os y s t e m si nd e t a i lb yt w op a r t s i nh y b r i ds t e p p e rm o t o r d r i v i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h ep r i n c i p l ea n d c o n t r o lm e t h o do f s t e p p e rm o t o r i se l a b o r a t e da n dt h es i m p l es i m u l a t i o nm o d e lo f d r i v i n gs y s t e mi s e s t a b l i s h e da n ds o m ei m p o r t a n tf u n c t i o n so fs t e p p e rm o t o r ，s u c ha s ：t h ev a r i o u s s t e p p i n ga n g l ec o n t r o l ，c o n s t a n tc u r r e n tc h o p p e dw a v ec o n t r o la n dt h ef l u c t u a t i o n f r e q u e n c yc o n t r o la n dt h ei m p l e m e n to fs o f t w a r ea r es t u d i e d i ne l e c t r i c a l l yo p e r a t e d c h a i rc o n t r o ls y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo f b r u s h l e s sd cm o t o ri sp r e s e n t e d ，t h em o d e lo f b m s l l l e 船d cm o t o ri sg i v e na n dt h ea d v a n c e dp i dc o n t r o lm e t h o d sa p p l i e di n b m s h l e s sd ca r es i m u l a t e da n dt h ep o s i t i o nm e m o r yf u n c t i o no f t h ee l e c t r i c a l l y o p e r a t e dc h a i ri ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s r e a s o n a b l ea n df e a s i b l e ，s u c c e s s f u l l yc o m p l e t e st h ed e v e l o p m e n tt a s k ，r e a l i z e sa l l p r e a r r a n g e df u n c t i o n ，a l s ot h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i ci sg o o d h y b r i ds t e p p e r m o t o rd r i v i n gc o n t r o ls y s t e mc a nd r i v ed i f f e r e n tk i n d so fs t e p p e rm o t o ra n dh a v e m a n yk i n d so f c o n t r o lf u n c t i o nt h o r o u g h e l e c t r i c a l l yo p e r a t e dc h a i r c o n t r o ls y s t e m u s e sb r u s h l e s sd cm o t o ra n di m p l e m e n t si n t e l l i g e n c ec o n t r 0 1 m o r e o v e r ，t h e s t r u c t u r e dd e s i g no f h a r d w a r ea n dt h em o d u l a rd e s i g no f s o f t w a r eh a v eg o o d v e r s a t i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y k e yw o r d s ：s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r8 0 5 1 ，m o t o rc o n t r o ls y s t e m ，h y b r i ds t e p p e rm o t o r , e l e c t r i c a l l yo p e r a t e dc h a i r , b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r ( b l d c m ) ，d r i v i n g a n dc o n t r o l ， a d v a n c e dp r o p o r t i o n i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l ( p l d ) c o n t r o l l i 两北工业大学硕士学位论文 绪论 绪论 该绪论首先分几个部分对运动控制系统、电机运动控制系统、微型计算机以 及控制理论的概念、组成以及发展进行了简要的叙述，在此基础之上得出了运动 控制系统正在向智能数字控制系统演变的发展趋势；其次，对本论文选题进行了 简要的阐述；最后，介绍了本论文的结构安排。 o 1 运动控制系统概述 运动控制系统的主要研究内容是机械运动过程中涉及到的力学、机械学、动 力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。具体来讲，运动控制系 统是一种以自动控制理论为指导的电气传动自动控制系统，它以高性能的控制器 为核心，通过由电力电子功率变换装罨组成的执行机构对电动机进行控制。 根据系统不同的控制要求，运动控制系统可以控制电机的转矩、转速( 调速 系统) 、加速度或转角( 位置随动系统) ，或对这些被控机械量的综合控制，进而 将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。常见的运动控制系统有数控机 床、科研仪器仪表、机器人等。这些系统是力学、机械、电子、电工、计算机以 及自动化等科学和技术领域的综合。 在日常生活中，运动控制系统的种类很多，用途也各不相同，对它们的分类 方式也有很多种：首先，从大的方面分，即从动力源的不同分，运动控制系统可 分为气动、液压和电动三大类。其中，由于电气运动控制具有同微型计算机连接 方便、控制灵活、性能高等优点，所以在中小型功率的运动控制系统中得到广泛 的应用，同时，它也是该论文所要研究的对象。对于电气运动控制系统，我们还 可以从不同角度将其详细分类： ( 1 ) 按所驱动电机的供电类型来分：直流传动系统，交流传动系统； ( 2 ) 按所设计控制器的类型分：模拟控制器，数字控制器： ( 3 ) 按控制系统的结构分：单环控制系统、双环控制系统及多环控制系统。 虽然运动控制系统有这么多的类型，但是，从基本结构上来看，大多数运动 控制系统主要是由以下三个部分组成：控制器、功率驱动装置以及被控对象( 绝 西北工业人学硕士学位论文 绪论 大多数情况下为电机) ，对于闭环控制系统而言还应包括检测及变送装置。对于 一般的自动控制系统而言，其控制思想也是很相近的：将被控量与给定值相比较， 得到误差信号，然后直接利用误差对系统进行控制，使误差趋近于零，以达到使 被控量趋于给定值的控制目的。这是通过对系统输出量的反馈来完成的。图0 - 1 所示为闭环运动控制系统的基本结构。 图o - 1闭环运动控制系统基本结构框图 通过以上介绍我们可以发现，由于运动控制系统的被控对象在大多数情况下 为电机，所以从某种意义上而言，运动控制系统与电机运动控制系统的范畴是等 同的，但是在某些场合还是有所区别的。下面，对电机运动控制系统进行一下较 详细的介绍。 0 2 电机运动控制系统概述 电机是与电能的生产、传输和使用有着密切关系的电磁机构。在日常生活中， 电机的使用随处可见，比如：在很多场合大量使用各种电动机作为原动机，用以 拖动各种机械设备；在军事、信息和各种自动控制系统中，使用大量的控制电机， 作为检测、执行和计算等元件；在当今社会中，办公自动化( o a ) 的概念已日渐 深入人心，其中也随处可见电机的身影。 电机运动控制技术以电力半导体变流器件的应用为基础、以电动机为控制对 象、以自动控制理论为指导、以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计( c a d ) 为手段并且与检测技术和数据通信技术相结合，构成一门具有相对独立性的科 学技术。在生产设备和过程自动化中发挥着日益重耍的作用。 真正意义上的电机运动控制系统是在2 0 世纪3 0 年代出现的，当时是晶闸管、 引燃管，而后是磁放大器、磁饱和电抗器作为静止变流器，形成了新一代电机运 动控制系统。随着新型电力电子器件、自动控制理论以及微处理器技术的发展， 西北工业火学硕士学位论文 绪论 电机运动控制系统发生了巨大的变革。到了2 l 世纪的今天，电机运动控制系统 的技术水平更是提高到了一个新的高度，无论是应用的广泛程度，还是研究的深 入程度都是过去人们想象不到的。 0 3 计算机控制技术的发展 自1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机在美国问世以来，计算机控制技术迅速 发展，上世纪5 0 年代便应用于军事领域，如飞机和导弹的控制；1 9 5 6 年首次应 用于工业控制领域；1 9 6 2 年，英国帝国化学工业公司( i c i ) 用一台计算机代替 所有用于过程控制的模拟仪器仪表，实现了2 4 4 个数据采集量，1 2 9 个控制阀门 的直接数字控制系统( d d c ) ，创立了计算机控制系统的新纪元。 到目前为止，自动控制技术在工业生产中已获得了广泛的应用。在工业生产 中的自动控制系统随控制对象、控制策略以及所采用的控制器结构不同而有很大 的差别。但是其基本结构还是相似的，如图( 1 ) 所示。由图( 1 ) 可见，运动控 制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。这些功能是由检测变送装置，控 制器和驱动装置来完成的。其中，控制器是运动控制系统中最重要的部分，它在 很大程度上决定了整个运动控制系统的性能和应用范围。 如果将图0 1 中的控制器用计算机来代替，就可以构成计算机控制系统。计 算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类系统，计算机控制系统和 一般自动控制系统一样，也有开环和闭环两种控制系统形式，其基本框图如图 0 2 所示。 图0 - 2计算机控制系统基本框图 在运动控制系统之中引入计算机，可以利用其强大的数据计算、数据处理以 及信息存储等功能。根据不同的功能及性能的要求，运用计算机提供的各种指令 西北t 业大学硕士学位论文绪论 编写出相应的控制程序，进而计算机通过执行这些控制程序，就能实现对被控参 数的控制。 计算机控制系统属数字控制系统，与传统模拟控制系统相比，数字控制系统 具有明显的优越性： ( 1 ) 数字控制器的参数设定灵活，可以较容易修改，有些控制器的参数还 可以自动调整；而由运算放大器构成的p i d 调节器，其参数一经设定，不易经常 调整，对工况的变化和对象的变化自适应能力差； ( 2 ) 模拟控制器很难实现高级的控制策略和控制方法，难以实现对交流电 机这样复杂对象的控制；而数字控制器突出的数据处理能力为高级控制策略的实 现提供了条件； ( 3 ) 受成本的限制，模拟控制器的检测精度不高，因而控制精度也不易 提高；而数字控制器的成本较低，且容易实现较高的控制精度； ( 4 ) 用模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件复杂可靠性低，可重复 性差；而数字控制器摒弃了复杂的硬件电路，硬件复杂度明显降低，系统可靠性 得到提高。 总的来说，以计算机为控制器、基于现代控制理论的运动控制系统，品质指 标无论稳态精度还是动态响应都达到了前所未有水平，比模拟式控制器高的多。 0 4 微型计算机简介 通常所说的微型计算机是指由中央处理器( c p u ) 、半导体存储器( r o m 、r a m ) 、 i 0 接口电路等大型集成电路芯片组装在一块或几块印刷电路板组装而成的机 器。随着近代超大规模集成电路的出现，微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。 集成技术的最新进展之一是将c p u 和外围芯片及其他控制部件集成到一个芯片 之中，制成单片计算机( s c m ) 。近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊 功能单元，如a d 、d a 转换器、通讯控制器、浮点运算单元等。因此，只要外 加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统，如工业控制 系统、数据采集系统、智能接口、功能模块等。 作为微型计算机的另一个发展分支的单片微型计算机介于工业控制计算机 和可编程控制器之间它有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机的 4 西北工业大学硕士学位论文绪论 控制器时，常常是在先满足功能需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此， 单片机往往成为优先选择的目标。2 0 多年来的应用实践表明，单片机性能稳定， 通过在单片机上运行的控制程序来代替模拟或数字电路硬件，可以提高系统的功 效，并且改变了传统的控制系统设计思想和方法。从最近的统计数据也可以看出， 世界上每年要有2 5 亿片各种单片机投入使用。单片机是目前世界上使用量最大 的微处理器。 0 5 计算机控制理论发展简介 计算机控制技术发展的同时，计算机控制理论也在快速发展，这为计算机控 制系统的分析与设计提供了理论基础。比如，1 9 4 9 年产生的香农采样定理，解 决了采样值复现信号的理论问题；1 9 6 2 年，庞特里亚金确定了最优化控制的极 大值理论，k a l m a n 建立了控制系统的状态空间表示法，奠定了现代控制理论发 展的基础。2 0 世纪6 0 年代初到7 0 年代末，现代控制理论向运动控制领域逐渐 推广。 现代工业应用中，被控对象多具有非线性、强耦合的特点，难以建立精确的 模型，经典控制理论的应用及推广受到了一定程度上的限制；另外，随着技术的 进步，对系统的性能要求越来越高，且工程现场的电磁环境往往又很恶劣，干扰 严重，经典控制方法难以很好的满足要求了。这些使得先进控制理论的产生及应 用显得越来越紧迫了。 纵观运动控制系统的发展历程，它经历了从恒速到调速，从低性能到高性能， 从单机独立运行到多机协凋控制，从直流调速到交流调速等发展过程。随着计算 机在运动控制系统中的应用，运动控制也由原来的以模拟量反馈、模拟控制器为 核心的微处理器连续控制系统过渡到以数字量处理为主、以高速信号处理器为控 制核心的数字控制系统。这为先进控制理论的产生及实现提供了物质基础。 在控制科学的发展进程中，它大体经历了图0 - 3 所示的几个阶段，由图0 - 3 可见，控制策略越来越不依靠被控对象精确的数学模型，自适应能力逐渐增强， 鲁棒性也越来越高。控制科学的发展为运动控制系统性能的提高提供了理论基 础，是控制领域发展的必然结果。 西北工业犬学碳士学位论文 | 咯一 | i i 。一。 ：钢隧数字运动控制系统： 图0 4运动控制系统发展趋势 本选题以“混合式步进电动机驱动控制系统设计”( 控制对象为混合式步进 电机) 以及“电动座椅控制系统设计”( 控制对象为无刷直流电机) 两个项目作 为实际应用背景，研究单片机在电机运动控制系统中的应用，在有效利用单片机 内部资源以及详细了解相应电机运动控制系统运行特性的基础之上，进一步挖掘 单片机在电机运动控制领域中的应用潜力，降低系统的成本，提高系统的性能。 这样的工作无论对单片机在电机运动控制领域中的进一步推广还是对电机运动 控制系统性能的进一步提高都有很大的研究价值和现实意义。 该论文总体上分为两太部分： 第一部分基于单片机的混合式步进电机驱动控制系统设计 第二部分基于单片机的电动座椅控制系统设计 各部分内容大致是这样安排的： 1 系统综述 2 电机原理特性及仿真研究 3 系统设计( 硬件、软件) 4 系统测试与结论 西北工业大学硕士学位论文 第l 章混合式步进电动机驱动控制系统综述 第1 章混合式步进电动机驱动控制系统综述 本章介绍了步进电动机驱动控制系统的研究背景、选题意义、研究内容以及 总体方案。 1 1 研究背景 早在十九世纪三十年代就出现了步进电动机，那时候的步迸电动机实际上是 一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电动机没有什么区 别。到上世纪初，由于战争的需要，造船工业发展迅猛。在上世纪二十年代到三 十年代间，一些杂志先后刊登了一些步进电动机在航海技术方面应用的文章，介 绍了步进电动机的设计和计算方法。直到上世纪三十年代初这些理论才被真正用 于指导步进电动机的设计与生产。但由于其性能不能满足速度不断提高的舰船的 要求，使得这项技术徘徊了数十年之久，一度几乎被废弃。后来，由于无触点式 电子开关元器件的出现，解决了步进电动机励磁绕组快速换向的问题。所以，在 上世纪中期，步进电动机又重新崛起。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院首先研制成三座标数控铣床。数控机床的出现 提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给 机构的驱动元件一直是争论的焦点，经过理论分析和现场试验，发现使用步进电 动机作为进给机构的驱动元件是较理想的选择，这一应用使得步进电动机的使用 范围更加广泛。 我国对步进电动机的研制及应用起步不算太晚，早在1 9 5 8 年，我国的一些 科研院所就研制成功了反应式步进电动机，并开始应用到数控机床中。进入上世 纪六十年代中期，结构新颖的步进电动机相继问世，为了降低电机功耗以及提高 效率，人们发明了永磁式和混合式步进电动机。到上世纪七十年代，步进电动机 的生产进入了全盛时期，其产量每年都已1 1 的指数递增。到目前为止，步进电 动机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘 图仪、电子手表等多方面。 由以上叙述可见，混合式步进电机是产生在反应式步进电动机之后，是为了 降低电机的功耗，它是在永磁感应子式低速同步电动机的基础上发展起来的，它 西北_ c 业大学硕士学位论文 第1 章混台式步进电动机驱动控制系统综述 既具有磁阻式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又具有径向恒定磁场的永磁 式步进电动机的特征。到现在为止，混含式步进电机已经成为了办公自动化和工 业自动化应用场合的主流之一，迅速发展形成规模生产，同时，它的性能指标不 断提高，逐渐取代了变磁阻型以及永磁式步进电动机。 1 2 选题意义 上面简要叙述了步进电动机的发展过程，下面在叙述其优越性的基础之上引 出该项目的选题意义。 步进电动机与一般电动机不同。它的角位移量或直线位移量正比予电脉冲 数，而其线速度或转速则正比于脉冲频率。并且，在负载能力范围内，不会因电 源电压、负载、环境条件的波动而变化。另外，步进电动机还可以在宽广的范围 内，通过改变脉冲频率来调速；能够快速起动、反转和制动；并且步进电动机还 有定的自锁功能。 步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具 有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠的工作。这些优点使得步进 电动机在庞大的电机家族中占有不可替代的位置。而混合式步进电动机的设计方 法使得它就好像是反应式和永磁式步进电动机的结合，可以像反应式一样的小步 距，也具有永磁式控制功率小、绕组电感比较小的特点。 目前广为使用的是两相混合式步进电动机，它的典型结构是定子8 个极，转 子齿数为5 0 个，步距角为1 8 度。它是上世纪6 0 年代的美国专利，7 0 年代初因 应用于计算机外设，且专利保护的取消而迅速发展，但因其步距角较大，特别是 在低频时有较严重的振动和噪声，所以仅适用于简单的，对精度要求不高应用场 合。 1 9 7 3 年德国b e r g e rl a h r 公司发明了五相混合式步进电机，比起两相电动机 来其运行性能有显著的提高，主要表现为：( 1 ) 分辨率提高；( 2 ) 起动停止频率 提高；( 3 ) 运行频域增宽；( 4 ) 振荡的趋势减弱；( 5 ) 定位转矩减小。可见，五 相混合式步进电机性能优越、值得推广、是很有发展前景的混合式步进电动机。 步进电动机的特殊工作原理使得它不能简单的直接接到普通的交流或直流电 源上运转，而需要专门的驱动器，也就是说步进电动机与它的驱动器是一个不可 西北工业大学硕士学位论文第1 章混合，步进电动机驱动控制系统综述 分割的整体，步进电动机运动控制系统的性能除受到电机本体影响之外，在很大 程度上还受到了驱动器性能的限制。一个好的控制器可以使步进电动机控制更灵 活，在很大程度上改善其运行性能。这样看来，对步进电动机运动控制系统而言， 驱动控制器的设计是重中之重。 本选题在充分利用5 l 单片机内部资源和丰富的指令系统，深入研究五相混 合式步进电动机运行特性的基础之上，开发出了适用于多种不同相数步进电动机 的驱动控制器，这样的工作不但对单片机在步进电动机控制领域中的应用有一定 的指导意义，并且更进一步挖掘和增强了混合式步进电动机( 特别是五相混合式 步进电动机) 的优势性能，拓宽了其应用领域，有着重要的现实意义。 1 3 研究内容 本选题所研制的混合式步进电动机驱动控制系统以五相混合式步进电动机运 行特性为出发点，开发出以5 1 系列单片机8 0 c 3 1 为核心控制器，带细分功能、恒 流功能及升降频功能的步进电机驱动控制系统，它可以驱动两相、三相及五相混 合式步进电动机，具有一定的通用性。它与混合式步进电动机配套可以大大地改 善步进电动机的运行性能，拓宽其应用领域。该选题研究内容主要有： ( 1 ) 有一定通用性的混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计； 控制部分硬件设计。包括：单片机最小系统的设计、g a l 2 0 v 8 以及 t l 4 9 4 外围电路设计。 驱动部分硬件设计。包括：i r 2 1 3 0 外围电路的设计、功率桥以及电 流反馈电路的设计。 ( 2 ) 有一定通用性的混合式步进电动机驱动控制系统软件设计： 下位机部分软件设计。单片机程序设计包括：系统初始化、脉冲环 形分配、升降频、状态实时显示等。g a l 2 0 v 8 程序设计包括：桥臂互 锁、恒流控制等 上位机部分软件设计。包括：控制模式的设置、系统状态的图形化 实时显示等。 ( 3 ) 基于三相反应式步进电动机运行原理及特性的步进电动机建模及仿 真： 西北工业大学硕士学位论文第1 章混合式步进电动机驱动控制系统综述 步进电动机模型建立。以三相反应式步进电动机为代表，在深入了 解其运行原理以及特性的基础之上，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了 三相反应使步进电动机模型。 步进电动机运行特性仿真。在三相反应式步进电动机模型的基础之 上，对其各项运行特性进行了较详细的仿真，为进一步了解步进电 动机运行特性提供了一个形象生动的途径，同时也为控制方法的验 证及仿真打下了基础。 1 0 西北t 业大学硕士学位论文 第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 本章首先详细的在五相混合式步进电动机的基础之上介绍了混合式步进电 动机的运行原理、控制方法及其运行特性，在此基础之上介绍了三相反应式步进 电动机仿真模型的建立方法，最后在此模型的基础之上对三相反应式步进电动机 的运行特性进行了仿真。 2 1 步进电动机结构及工作原理简析 步进电动机是从电磁铁这样简单的装置演变过来的一种电磁能量转换元件， 因此设计者可以根据电磁场理论和机械结构的繁简以及具体的性能要求设计出 各种形式的步进电动机。自电动机问世至今，出现过的种类可谓繁多，但常用的 有反应式、永磁式以及混合式( 永磁感应子式) 三种。 2 1 1 反应式步进电动机结构及工作原理简析 反应式步进电动机也称为磁阻式( v r ) 步进电动机。它的定子磁路均由软磁 材料组成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动 机的相数一般为三、四、五、六相。按绕组的排列形式，可分为单段式径向磁路、 多段式径向磁路以及多段式轴向磁路等三种。 图2 一l 所示是一台三相反应式步进电动机的横截面图。它的定子上有三对磁 极，每一对磁极上绕着一相绕组，绕组通电时，处于同一相的两个磁极的极性相 反；三相绕组可接成不同的形式。转子铁心及定子极靴上有小齿，通常，定转予 齿距相等。转子铁心上没有绕组，图中所示的转子齿数为z ，= 4 0 ，每一个齿距 对应的空间角度( 机械角) 为3 6 0 么= 9 0 。下面，具体分析其运行过程。 a 相绕组单独通电时：电动机内部建立起以州为轴的磁场，如图2 2 ( a ) 所 示。由于定转子上均有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导 也不同，具体来说，定转子为齿对齿的每个极下磁导为最大，定转子为齿对槽的 每个极磁导为最小。转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置， 西北工业大学硕士学位论文 第2 审步进电动机原理特性及仿真研究 所以当a 相通电时转子稳定于a 相极下定转子齿对齿的位置处，如图2 - 1 所示 的情况。 ( a ) a 相通电( b ) b 相通电( c ) c 相通电 圈2 - 2 一相通电时的磁场情况 b 相单独通电时：使a 相断电，同时给b 相通电，则建立了以b b 为轴线 的磁场，如图2 - 2 ( b ) 所示，即磁场沿a b c 方向转过了1 2 0 。机械角。此时，转子齿 的轴线将力求与b 相磁极上定子齿的轴线对齐，以达到图2 - 3 所示的稳定平衡位 薰。很显然，比起a 相通电时，即比起图2 1 所示的位置来，转子沿a b c 方向 转过了齿距。 c 相单独通电时：同理，在b 相断电的同时，给c 相通电，则建立磁场的 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 轴线如图2 2 ( c ) 所示的c c 方向，转子又沿彳b c 方向转过齿距，以求使c 相 极下定转子齿对齿，如图2 - 4 所示。 圈2 - 3b 相通电时，转子的稳定平衡位置图2 - 4c 相通电时，转予的稳定平衡位置 如此，按a b c 次序给步进电动机通电，电机便会朝着一个方向连续地转 动起来，如果将通电次序改为c b a ，电机便会朝着相反的方向转动，我们可以 通过改变通电方式来改变电机的运行模式，这方面的具体内容将在下一节中详细 叙述。 2 1 2 永磁式步进电动机结构及工作原理筒折 永磁式步进电动机是转子或定子( 一般为转子) 的某一方具有永久磁钢的步 进电动机。另一方由软磁材料制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒 定磁场相互作用产生转矩。励磁绕组可以做成两相或多相，但一般做成两相或四 相控制绕组。图2 - 5 所示为两相永磁式步进电动机的径向截面图。定子上有8 个 极，相间的四个同属于一相，转子有四个极，分别具有固定的极性，相邻极的极 性相反。 a 相通正向电流( 电流由a 端流入o 端流出) 时：通过判断可知极i 、5 在 气隙中产生磁场的极性为s ，极3 、7 在气隙中产生磁场的极性为n ，由于转子的 每个极都有如图所示确定的极性，两个磁场相互作用，同性相斥，异性相吸，最 后转子稳定在图2 - 5 所示的位置，转予极i 与定子极i 对齐。 a 相断电，b 相通正向电流时：通过判断，此时极2 、6 在气隙中产生磁场 的极性为s ，极4 、8 在气隙中产生磁场的极性为n ，定转子磁场相互作用，使得 转子顺时针方向转过4 5 度，使得转子极i 与定子极2 对齐。如图2 - 6 所示。 谣北工业大学硕士学位论文第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 0 a 图2 - 5永磁式步进电动机径向截面图 图2 7a 相单独通负向电流时，转子的稳定平衡位置 a 相断电，b 相通入负向电流( 电流由0 端流入b 端流出) 对z 此时，极2 、 6 在气隙中产生磁场的极性为n ，极4 、8 在气隙中产生磁场的极性为s ，转子在 1 4 西北工业大学硕士学位论文第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 磁场力的作用下又顺时针转过4 5 度， 所示。如此下去，按a b j 一面一a - 0 使得转子极1 与定子极4 对齐。如图2 - 8 的顺序给步进电机通电，它便会顺时 a 图2 - 8b 相单独通负向电流时，转子的稳定平衡位置 针转动起来，若给它通相续为a b a b - a 的电流，则电机会向逆时针方 向旋转。 2 1 3 混合式步进电动机结构及工作原理倚析 混合式步进电动机的典型结构如图2 - 9 所示。它的定予结构与反应式步进电 动机基本相同，即分成若干极，极上有小齿及控制线圈。转子由环形磁钢及两段 铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端， 转子铁心上也有如反应式步进电动机那样的小齿，但两段铁心上的小齿相互错开 半个齿距，定转子小齿的齿距通常相同。 a a b b ( a ) a 段铁心截面图( b ) 轴向剖视图 ( c ) b 段铁心截面图 图2 - 9 三相混合式步进电动机结构示意图 西北工业大学硕士学位论义 第2 章步进电动机原理特性投仿真研究 三相混合式步进电动机的定子为三相六极，三相绕组分别绕在相对的两个磁 极上，且这两个磁极的极性是相同的，在这一点上，它与三相反应式步迸电动机 是不同的( 三相反应式步进电动机中相对的两个磁极的极性是相反的) 。它的每 段转子铁心上有八个小齿。 从电动机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻磁极 与转予齿的轴线就错开l 3 齿距。如图2 - l o ( a ) 中所示a 段转子铁心的情况，a 相 磁极下定转子齿的轴线重合时，b 、c 相磁极分别与转子齿错开l 3 齿距。a 、 、c 极下的情况分别与a 、b 、c 极下的情况相同。 假如转子上没有磁钢，只是在定子的控制绕组里通电，这个电动机不产生转 矩。由于转子磁钢的作用，使a 段转子铁心呈n 极性，b 段转子铁心呈s 极性。 当a 相通电时，转予处于图中所示的位置，此时与a 段转子铁心相对的定予a 相极下气隙磁导为最大，与b 段转子铁心相对的定子a 相极下气隙磁导为最小。 当转予转动时，a 段转子铁心对应的a 相极下气隙磁导减小，b 段转子铁心对应 的a 相极下气隙磁导增大，使得a 相主磁路上的总磁导基本不变，其他相通电 时也一样，所以没有转矩，可见它与三相反应式步进电动机不一样。三相反应式 步进电动机不存在转子错齿现象，通电相主磁路的磁导随着转子的转动而增大或 减小。 ( a ) a 段铁芯截面图( b ) b 段铁芯截面图 圈2 1 0 三相混合式步进电动机的横截面陶 三相混合式步进电动机的转子磁钢充磁以后，一“端为n 极，并使得与之相 邻的转子铁心的整个圆周都呈n 极性：另一端为s 极，并使得与之相邻的转子 一一 西北丁业大学硕士学位论文第2 章步进电动机原理特性硬仿真研究 铁心的整个圆周都呈s 极性。如果定子绕组不通电，仅仅有转子磁钢的作用，电 动机也基本上不产生转矩。永磁磁路是轴向的，从转子a 端到定子的a 端，轴向 到定子的b 端、转子的b 端，经磁钢闭合。在这个磁路上每个极的范围内，由于 两段转子的齿错开了1 2 齿距，当一端磁导增大时另一端磁导必然减小，在忽 略高次谐波时，使每极总磁导在转子位置不同时基本保持不变，因而整个磁路的 总磁导与转子位置无关。 只有在转子磁钢与定子磁势共同作用下，才会产生电磁转矩。例如转子磁钢 充磁，且定子a 相通电的情况下，转子就有一定的稳定平衡位置，即a 相a 段 极下定转子齿对齿的位置。当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时。例如转子向 逆时针方向转了一个小的角度口，则两段定转子齿的相对位置及作用转矩的方 向，如图2 1 l ( a ) 、( b ) 所示，由于沿圆周方向电动机结构的对称性，图中只画出 了通电相一个极下的情况。可以看到，两段转子铁一t l , 所受到的电磁转矩是同方向 的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。这是由于在电动机两端，定子极性相 同，转子极性相反，但互相错开了半个齿距，所以当转子偏离稳定平衡位置时， 两端作用转矩的方向是一致的。同时可以清楚地看到，混合式步进电动机的稳定 平衡位置是：定转子异极性的极下磁导最大、而同极性的极下磁导最小。 a 疗 ( a ) a 段的情况 茁，u u c ； _ _ 同l ；n同同 ( b ) b 段的情况 图2 - 1 1 转子向逆时针方向转过口时，两段定转子齿的相对位置及作用转矩图 上述电动机任意两个相邻定子磁极轴线间的夹角为薹竺：6 0 。，每一个转子 o 西北工业大学硕士学位论文 第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 齿距所对应的空间角度为等= 4 5 。 a 相绕组正同通电( 由a 蝤流入a 端流出) ，b 、c 二相绕组不通电时：电 动机内建立以朋为轴线的磁场。这时a 相磁极呈s 极性，而转子铁心a 段呈n 极性，b 段呈s 极性，由于转子的稳定平衡位置是使定转子异极性的极下磁导最 大，同极性的极下磁导最小的位置，故转子处于图2 - 1 0 所示的位置；a 相磁极 与a 段转子齿轴线重合，与b 段转子齿错开齿距。a 、b 相磁极轴线间所包含 的转子齿距数为6 哆5 。= l + j 1 ，则b 相磁极沿4 露c 方向分别与a 、b 段转子齿 相差、一齿距，而c 相磁极沿一曰c 方向分别超前a 、b 段转子齿、+ 齿距。 a 相断电，b 相通反向电流( 由b 端流入b 端流出) 时：建立以b b 为轴 线的磁场。此时b 相磁极呈n 极性，转子沿c 曰_ 方向转过齿距，达到b 相 磁极与b 段转子齿轴线重合、与a 段转予齿错开齿距的位置。此时c 相磁极 沿c b _ 方向分别超前a 、b 段转子齿、一齿距；a 相磁极沿c 口_ 方向分 别超前a 、b 段转子齿一、齿距。 b 相断电，c 相通正向电流( 由c 端流a c 1 端流出) 时：建立以c c 为轴 线的磁场。此时c 相磁极呈s 极性，转子又沿c 四_ 方向转过了齿距，达到c 相磁极与a 段转予齿轴线重合、与b 段转子齿错开齿距的位置 可见，在连续不断地按彳一否一c j b 一于一爿一的顺序分别给各相绕组通 电时，每改变通电状态一次时，转子沿c b _ 方向( 逆时针方向) 转过齿距， 即7 5 0 卒间角，亦即步进角为7 5 0 2 1 4 五相混合式步进电动机 五相混合式步进电动机是在1 9 7 3 年由德国伯格公司发明的，它的出现使得 西北工业大学硕士学位论文第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 步进电动机的经济指标提高到了普通电动机的水平。五相混合式步进电动机是在 两相混合式步进电动机的基础之上发展起来的，它和两相混合式步进电动机的结 构相似，转子也分为n 极和s 极两部分，在两段转子之间嵌入了永久磁铁，每个 转子上都均匀的分布着5 0 个转予齿，并且，和其他混合式步进电动机一样，从 轴向看进去，两段转子齿中心线也彼此错开半个转子齿距。 五相混合式步进电动机也是按照组合电磁铁理论设计出来的，与两相混合式 步进电动机的区别仅是相数增多，定子磁极数由8 个增加为1 0 个。定子的磁极 数增多，每极的梳齿数由5 个减少为4 个。 五相混合式步进电动机的工作原理和其他混合式步进电动机相似，这里需要 强调的一点是，为了保证步进角满步时等于o 7 2 。几何角度，定子磁极采用了不 均匀结构，这里对其进行简要的分析： 在五相混合式步进电动机中，贯穿两段定子铁心的1 0 个线圈构成五相绕组， 线圈1 和6 、2 和7 、3 和8 、4 和9 、5 和1 0 分别构成a 、b 、c 、d 、e 五相绕 组。和定位电磁铁有直接关系的是基本转矩矢量。对于五相混合式步进电动机而 言，其定位( 零电流) 转矩矢量和基本转矩矢量一样同为1 0 根。如图2 1 2 所示。 i | 1 z 7 图2 1 2 五相混合式步进电动机转子定位转矩星形图 其中，五根实线代表n 段转子的定位转矩，由于n 段转子和s 段转子互差 半个齿距( 1 8 0 度电角度) ，所以可以画出s 段转子的定位转矩如图2 1 2 中五根 虚线所示。 我们设转子共有z 个齿，则齿距为a = 3 6 ，以下推导中用a 代表机械角 度，用代表电角度。那么，每个齿距代表的电角度= 口z = 3 6 0 0 。如果1 0 、心一， 、： ， 、 、| 、 ， 西北工业大学硕士学位论文第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 个定子磁极均匀分布，那么相邻两极间的距离( 机械角) 必为3 6 0 。为了获得图 2 。1 2 所示转矩星形图，则同一相绕组中两个极的定位转矩必须同向，比如，对a 相而言，磁极1 和6 中心线间的距离必须满足条件： 口。= 1 口式中1 为任意正整数 从而可得转予齿数z 登须满足的条件： z = 2 n i 即z 必须为偶数。 由以上分析可见，电机结构必须满足以下两个条件： ( 1 ) 定子1 0 个磁极均匀分布，即对于极l 和极2 有q ：= 3 6 0 ； ( 2 )零电流矢量也必须均匀分布，即如图2 1 2 所示； 满足这两个条件的有以下四种可能 ( 1 )极 ( 2 )极 ( 3 )极 ( 4 ) 极 和极2 间有2 ；个齿 和极2 间有2 士詈个齿 和极2 问有；个齿 和极2 间有2 ；个齿 即届2 = + 7 2 。时，：= ( 2 ；) 口= 3 6 。 即属2 = 1 4 4 0 时，口1 2 = ( n 3 j 2 ) 口= 3 6 。 即磊2 = ：t ：2 1 6 。时，d ，2 = ( n 4 j 3 ) 口= 3 6 0 即届2 = 2 8 8 。时，d 2 = ( m 弘4 = 3 6 。 又由于口= 3 6 ，可得与上面四种情况对应的，转子齿数的四种情况： ( 1 ) z = 1 0 n 2 2 ( 2 ) z = 1 0 n 3 4 ( 3 ) z = 1 0 n 4 6 ( 4 ) z = 1 0 n s 8 可见，在这种情况下z 不可能取5 0 ，如果z 取5 0 则必须放弃1 0 个磁极均 匀分布的想法。为了获得尽可能大的电机总转矩，应使其转矩星为图2 - 1 3 所示。 其中，t a 为a 相绕组通正向电流时产生的转矩矢量，t a 为a 相绕组通反向电 流时产生的转矩矢量；砧为b 相绕组通正向电流时产生的转矩矢量，丁掺为b 西北工业大学硕士学位论文 第2 章步进电动机原理特性及仿真研究 相绕组通反向电流时产生的转矩矢量；以此类推。 图2 - 1 3 五相混合式步进电动目l 转矩星形图 由图2 1 3 可见由于t b 滞后t a 2 1 6 0 电角度( 或由于t b 滞后t a 3 6 0 电角度) 。 由上述第三个条件可得磁极1 与磁极2 在空间应相距q ：= ( 4 弦= 3 6 0 ，由于 属于b 相的两个齿之间的距离为1 8 0 度机械角度，为1 8 2 。= 2 5 个齿距，是个 整数，所以齿l 和齿2 之间的电角度和齿1 和齿7 之间的电角度之间差3 6 0 度的 2 5 倍，所以也可以得到，q ，= ( m + 2 5 + - ；) o e = 2 1 6 。为了充分利用定予空问，： 应接近于3 6 0 ，取 7 4 = 4 ，得到定子的小极距为吼2 = 3 = 4 = 0