（电机与电器专业论文）混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析.pdf

a b s t r a c t b r u s b l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，w h i c hr e q u i r e sr o t o rp o s i t i o ns i g n a l sf o r c o m m u t a t i o n , h a sa d v a n t a g e so fc o n t r o ls i m p l i c i t y , g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d h i g he 矗i c i e n c y th a s b r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s h o w e v e r , i t si n s t a b l ea t l o w - s p e e do p e r a t i o n t ok n p r o v et h el o w - s p e e dc h a r a c t e r s ，t h ea u t h o rm f e r st oal a r g en u m b e ro f r e l a t e dm a t e r i a l s ，c o n s u l t st h eh y b r i ds t e p p i n gm o t o r ss t r u c t u r ec h a r a c t e ra n dd r i v e m e t h o d an e wc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fb o t h s t e p p m gm o t o ra n db l d c m i nt h i ss 仃龇e g y , r o t o rp o s i t i o nc l o s e - l o o pc o n t r o l ， w h i c h su s u a l l yu s e di nb l d c m ，i sa p p l i e do nh y b r i ds t e p p i n gm o t o r i th a st h e a d v a n t a g e so fg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh i g he f f i c i e n c yt h a tb l d c mh a s m o r e o v e r , i th a sg o o dl o w - s p e e do p e r a t i o n s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db y m a t l a b s i m u l i n ka n da n a l y s i si si n a d eb a s e do nt h em o d e l s e n s o r l e s sc o n t r o l c i r c u i ti sd e s i g n e df o rt h i ss t r a t e g y t h er e s u l t so ft h ec i r c u i te x p e r i m e n tv a l i d a t et h e s t r a t e g y k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd c m o t o r ( b l d c m ) h y b r i ds t e p p i n g m o t o r s e n s o r l e s sb l d c mc o n t r o l i j a t l a b s i m u l i n k 浙江大学硕士学位论文混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 第一章绪论 1 1 无刷直流电机特点原理及其发展 1 1 1 无刷直流电动机的特点 无刷直流电机一般电枢绕组固定在定子上，而转子通常为永磁体。当电枢从 一个定子磁极下，转到另一个极下时，b l d c m 驱动电路控制功率管的开关，使电 流同步改变方向，从而使电机始终在同一方向的转矩下转动。为保证开关信号与 转子磁极转过的位置同步，需要得知转予位置，一般用的位置传感器分为光电式 和磁反应式。另有无位置传感的方案，常用的又有直接反电势法，反电势积分法， 续流二极管法等。 无刷直流电动机b l d c m 运行特性几乎与普通直流电动机完全一致，因此保留 了直流有刷电机良好的机械特性以及控制简单的优点，用电子线路替代了传统的 电刷和换向器，从而解决了接触换向带来的火花、电磁干扰等一系列问题，又保 留了直流电机的高效、易控、体积小、重量轻等优点，因此有了广泛的应用和迅 速的发展。【1 1 1 1 2 无刷直流电机原理锄 无刷直流电机是由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。直 流无刷电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时 间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器的信号处理单元两个部分组成。功率 逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给 直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕 组导通的顺序和时间主要取决于位置传感器信号。但位置传感器所产生的信号一 般不能直接用来控制逻辑开关单元往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻 辑开关单元。综上所述，组成直流无刷电动机各主要部件的框图，如图1 - - 1 。 浙江大学硕士学位论文 混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 图1 - - 1 无刷直流电动机主要部件框图 图1 - 2 为一台典型的三相永磁无刷直流电动机原理图。其中t l 至t 6 为电力 电子开关器件，常用m o s f e r ，i g b t 和g t r 。d 1 至d 6 为与开关器件反并联的续流 二极管。电机本体由定子和转子两部分构成，磁钢贴在转子上而与转子同轴旋转。 电枢绕组装在定子上，可以是类似交流电机的重叠绕组，也可以是含极靴的非重 叠绕组。根据位置传感器检测的转子位置，按一定的逻辑触发功率变换器的功率 器件，给电机定子绕组上电，随着功率器件有规律的开通、关断，转子在定子磁 动势的带动下旋转起来。 s 图卜2 无刷直流电动机原理图 下面以三相六状态通电方式为例，说明无刷直流电动机的换相过程。如图 卜3 ( a ) 所示，当电机转到如图位置时，t 1 、t 6 开通，电流从a 相通到b 相。此时 2 浙江大学硕士学位论文 混台式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 定子磁势领先转子磁势1 2 0 。夹角，使转子受到电磁转矩作用逆时针旋转。当电 机转过6 0 。电角度到达图卜3 ( b ) 的位置时，电机定子磁势与转子磁势夹角变为 6 0 。电角度，位置传感器检测到转子位置信号，从而关断t 6 ，开通t 2 ，使电机 电流从a 相通到c 相。此时，电机定转子磁势夹角再次达到1 2 0 4 夹角，于是使 电机继续旋转。这样周而复始，改变电机定子的通电顺序，就改变了电机定子的 磁势，在定转予磁势的作用下，电动机转子便连续不断的旋转。如图卜4 ，三相 六状态的触发信号图，通电顺序为a b 一 a c - b c 一 b a _ c a - c b 一 a b ( f ) ( e )( d ) 图1 - 3 电机换相位置图 a 浙江大学硕士学位论文 混舍式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 a 相上桥 a 相下桥 b 相上桥 b 相下桥 c 相上桥 c 相下桥 图卜4 三相触发信号图 1 1 3 位置传感器及无位置传感器控制策略臼儿们 位置传感器，是检测转子位置的器件，根据位置传感器的反馈信号，控制部 分给功率器件换向信号，从而实现换向。常用的位置传感器有光电式和磁反应式。 光电式的如光电编码器，具有精度高、反应快、抗干扰力强等优点。但成本较高。 磁反应式的如霍尔元件，位置精度受安装定位影响，一般安装较少，可以用来产 生换相信号即可，成本较低。 然而不管是哪种位置传感器，都有以下缺点： ( 1 ) 为了安放传感器而增大电机体积。对于容量在数百瓦以下的永磁无刷直 流电动机，传感器体积往往占了整机体积的2 0 以上。 ( 2 ) 传感器增加电机成本。对于容量在数百瓦以下的小容量方波型永磁无刷 直流电动机，常用的i c 式霍尔传感器的成本通常为电机本体的3 0 左右。同样， 小容量正弦电机所需要的旋转变压器或光电码盘作为传感器，其成本往往与电机 4 浙江大学硕士学位论文混合式步进电动机无尉直流电机方式驱动方案及其仿真分析 本体相当，甚至更高。 ( 3 ) 传感器连线太多。例如，一台三相方波电机若采用霍尔i c 作传感器， 至少需要五根连线：若采用其他传感器时往往连线更多。当电机密封起来运行时， 这些连线都将成为不利因素。 ( 4 ) 传感器输出的信号通常都是弱电信号，因此太多太长的连线都很容易引 入干扰。 ( 5 ) 高温低温，污浊空气等工作环境及震动，高速运行等工作条件，都会降 低传感器的可靠性。 ( 6 ) 传感器的安装精度，也将影响电机的运行状态。 与此同时，一种利用电机及功率器件本身的参数，来推断电机转子位置的方 法应用而生。这就是无传感器的无刷直流电机控制策略。一般无传感器策略，根 据转予位置的诊断依据不同，又可分为反电势法过零检测法，反电势积分法，续 流二极管法，定子三次谐波相电压检测法，状态观测器法，电感法，速度独立方 法以及人工智能法等等。下面选几种有代表性的方法做一下介绍。 ( 1 ) 直接反电动势法 直接反电动势法，也叫反电势过零点检测法，该转子位置检测方法控制简单、 实现容易，是目前技术最成熟和最常用的一种无位置传感器控制方法，应用于绕 组星型连接、三相六状态1 2 0 。两两通电方式的b l d c m 中，其反电动势波形为梯 形波的波形。由于电动机采用两相通电方式，在一个周期中，每相正反向各通电 1 2 0 4 ，而不是1 8 0 。为了获得最大转矩，其绕组通电波形应同反电动势梯形 波形的平项波部分产生相对关系。因此，当测得反电动势波形过零点后，再延迟 3 0 4 电角度才是它的换相点。使用该方法时检测电路存在阻容滤波环节，导致了 检测信号相位的滞后，因此在换相控制中，必须对其加以修正。 直流无刷电动机的反电动势换相控制的最大优点是省去了位置传感器，使得 直流无刷电动机的结构变得十分简单，这对于安装位置传感器十分困难的微型直 流无刷电动机尤为重要，其主要缺点是反电动势在低速时很难被精确测量，因此 不太适合于要求经常快速起动或超低速运行的直流无刷电动机。 浙江大学硕士学位论文 混合式步进电动机无尉直流电机方式驱动方案及其仿真分析 ( 2 ) 端电压积分法 这种检测方法是通过对电机不导通相反电动势的积分信号来获取转子位置 信息。当截止相反电动势过零时开始积分，对应于换向瞬时设置一个门限，用 来截止积分信号。反电动势和转速之间存在线性关系，反电动势沿斜线变化的斜 率和转子速度密切相关，在整个速度运行范围内，积分器的门限值保持不变，一 旦达到积分门限，复位信号立即将积分器置零。为了避免积分器由电机启动开始 积分，复位信号保持时间足够以保证电流降为零之后启动积分器。这种方法对于 开关噪声不敏感，积分门限可以根据转速信号自动调节。但这种方法由于误差积 累在电机低速运行时存在一定的问题。 3 ) 续流二极管法 逆变器采用1 2 0 。导通方式时，在任意时刻无刷直流电机的三相定子绕组总 有一相是关断的，也就是当逆变器换相时，原本导通的两相绕组会有一相关断， 而与此同时原本关断的那相绕组导通。然而被关断的那相绕组的电流并不会在换 相后马上降为零，而是通过续流二极管续流，一直到该相反电势过零点的附近将 为零。因此只要能在反电势过零点附近检测到续流二极管中电流比较大的降落， 那么就可以判断出电机转子的位置。这种方法需要通过监视并联在逆变器功率管 两端的自由换向二极管的导通情况来确定电机功率管的换向瞬时。无刷直流电机 三相绕组中总有一相处于断开状态，于是通过监视6 个续流二极管的导通关断情 况就可以获得6 个功率管的开关顺序。但这种方法有一个最大的不足之处就是： 必须给比较电路提供6 个独立的电源来检测续流二极管中的电流，而且在换向点 存在位置误差。 ， ( 4 ) 速度独立函数方法 无刷直流电机中普遍应用的无位置传感器控制方法都依赖于与转速有关的 反电动势。由于无刷直流电机在转速为零或很低时，反电动势也接近于零或很小 而无法检测到，因此在电机低速运行时用检测反电动势法来控制电机的换向是很 难实现的，同时反电势过零法产生的电流换相点延迟3 0 。电角度会在瞬间状态 引起检测位置误差或错误。为了克服以上缺点，提出了一种基于与速度无关的函 数的新方法。这里将运用一个新的物理概念，提出了一种新检测技术来检测无位 6 浙江大学硕士学位论文 混合式步进电动机无剧直流电机方式驱动方案及其仿真分析 置传感器无刷直流电机的转子位置，这个物理概念基于速度独立位置函数而形成 的。该函数是用来检测电流和计算电压的函数，运用这个函数能估算出换向瞬间 从接近于零( 额定转速的l ) 到高速度之间任意值。由于电机以任何转速运行时 该函数的表达形式都是一样的，所以在电机的稳态和暂态都能得到个精确的换 向脉冲。这种方法不需要依赖于反电动势，因此也不需要用到检测端电压的附加 硬件电路设备。这种运算方法非常适合于带有d s p 装置的低成本电机。 ( 5 ) 三次谐波电压检测法 这种方法也是适用于1 2 0 。导通、绕组星型接法的无刷直流电动机的控制 中，由于梯形波的反电动势必然包含有三次谐波分量，获取此分量并对其进行积 分，当积分值为零时即得到相应的转予位置信息。在实验中并联于星型电机绕组 一个星型电阻网络，通过电阻网络中性点与直流侧中点之间的电压来获得三次谐 波，省去了电机绕组与电阻网络两中性点之间的连线。这种位置检测方法与利用 反电动势过零点检测方法进行了对比实验，发现反电势三次谐波积分法获得了更 宽的调速范围。反电势三次谐波法，也需要采用开环起动方式，但性能要比反电 动势过零点检测法优越。与反电动势过零点检测法相比，三次谐波积分法和电机 速度、负载情况无关，受逆变器引起的干扰影响小，对滤波器要求低，移相误差 小，有更宽的调速范围，低速时三次谐波信号依然可以检测到，所以起动和低速 性能要好些，在更宽的调速范围内这种方法能获得更大的单位电流出力和更高的 电机效率。 反电势过零法和直接安装位置检测元件的方法不同，它只需检测无刷直流电 机定予绕组的端电压，再根据每相端电压在一个周期内有两个过零点来检测转子 的真实空间位置。反电势过零法需要深度滤波，把其它各次谐波滤掉，只留下基 波，因此检测电路的相位位移大。由于在低频段和低负载的情况下，反电势比较 小不容易检测到，因此该方法需要特殊的起动技术，而且不能在低速下稳定运行。 3 次谐波法和反电势过零法的工作原理基本相近，不同的是它检测反电势3 次谐 波的过零点，由于3 次谐波的频率是基波频率3 倍，所以3 次谐波在基波的 个周期内有1 个过零点，只要检测到3 次谐波的过零点就可以知道转子的位置。 同反电势过零法相比，3 次谐波法不需要深度滤波，因此不会产生过大的相移。 而且在低频段也可以进行位置检测。以上方法都存在个问题，由于它们都依赖 7 浙江大学硕士学位论文混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 于与转速有关的反电动势的检测，而无刷直流电机在转速为零或很低时，反电动 势也接近于零或很小而无法检测到，因此在电机低速运行时很难精确换相，而速 度独立函数方法却是基与一个与速度无关的函数，因此能提供更大速度范围，更 加精确的换相信息。 1 1 4 无刷直流电动机的发展 直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机 均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机械磨擦，由此带来了噪声、火花、 无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而 大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多数均采用三相异步电 动机。 随着社会生产力的发展，人们生活水平的提高，需要不断的开发各种新型电 动机。科学技术的进步，新技术新材料的不断涌现，更促进了电动机产品的不断 推陈出新。针对上述传统直流电动机的弊病，早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始 研制以电子换相来代替电刷机械换向的直流无刷电动机，并取得了一定成果。但 由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展，没能找到理想的电子换向的元器 件。使得这种电动机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年， 美国d 哈里森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专 利，这就是现代直流无刷电动机的雏形，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子 换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1 9 7 8 年的m a c 经典无刷直流电 动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先 后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。2 0 多年以来，随着永磁新材料、 微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无 刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流 电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。嘲 随着无刷直流电动机的技术的发展，无刷直流电动机已经广泛应用在工业生 产中。重工业、家电、通讯、交通工具、消费类电子产品中，都有了无刷直流电 浙江大学硕士学位论文混合式步进电动机无捌直流电机方式驱动方案及其仿真分析 动机的踪迹。无刷直流电机有以下几个发展发向：舰 & 大电压，小电流趋势。提高电压，能减小功率管上压降占的比例：小电流 则能降低功率管上的管压降，从而达到节能的目的。 b 正弦电流驱动。高速微处理器和d s p 器件的出现，使得运行速度、处理 能力提高很大，而且专用控制芯片的出现，使精确控制电机方案的成本 大大降低。因此，与方波驱动的电动机相比，正弦波电流驱动的电动机 明显性能更加优秀。 c 正弦波电流驱动的电动机需要带有一定精度的位置传感器，给电动机成 本带来一定负担。而充分利用处理器的运算功能，在这基础上发展起来 的无传感器控制算法，也得到了广泛的发展。最初，无传感器方案只是 用在安装位置传感器不方便的地方，以及工作环境恶劣、安装传感器很 容易影响到整机寿命的场合，如空调页片电机。但近年来，由于无传感 器方案的发展，无传感器方案越来越多的应用在实际生产过程中。 d p w m 技术。p w m 调制技术，一般采用1 0 k 左右的开关频率调节电动机供电 电压，可以使电流波形更平滑，减少纹波。同时电动机的运行噪声问题 也会有改善。有利于提高电机整体性能。 随着新材料的不断出现和电力电子技术的不断发展，无刷直流电动机的发 展可谓一日千里。作为一种新型电机，无刷直流电机很容易做到低振动，低转矩 脉动，高效率。高功率密度等。目前，无刷直流电机已经和永磁同步电机一起， 成为开发伺服电机系统的主要选择。并广泛在各个领域里迅速发展。 1 2 混合式步进电机的特点原理及其发展 1 2 1 混合式步进电机的特点 步进电动机是一种受脉冲信号控制的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就 相应的转动一个步距。转速也就相应的与脉冲频率成正比。同时，要改变电机的 旋转方向，只要改变电机线圈的通电顺序即可。在控制特性方面，比起普通电机， 有很大的优越性。步进电机主要结构类型有：变磁阻( v r ) 型、永磁( p m ) 型和 9 浙江大学硕士学位论文 混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 混合( h b ) 型。永磁式步进电机因低成本爪极结构，广泛应用于性能要求不高和 体积限制不大的场合：混合式步进电机为办公自动化和工业自动化应用场合的主 流，迅速发展形成规模生活，同时性能指标不断提高。 混合式步进电机，是永磁和变磁阻原理共同作用下运转的。有以下特点： ( 1 ) 混合式电动机的极对数就等于转子磁数，因此，其极对数可以根据需要 在几对极到几百对极范围内变化。对于多极对数的混合式步进电动机，方波驱动 就可以获得较高的分辨率，可作为低速同步电动机运行；对于少极对数的混合式 电动机，可作为具有宽广调速范围的调速电动机应用。脚 ( 2 ) 混合式电动机转子磁钢提供激磁。在相同条件下，混合式电动机的激磁 安匝只有磁阻式电动机的l 2 l 3 ，这大大有利于功率逆变器的设计和配置， 降低其成本，提高可靠性和系统效率。 ( 3 ) 混合式电动机绕组电感随转子位置变化小，使系统控制简单，易于实现 最佳运行控制。 ( 4 ) 混合式电动机在整个运行区域没有明显的振荡，从工作机理来看，易于 减小力矩波动。 ( 5 ) 混合式电动机，永磁体夹在二段转子铁心中间，用量很少，易于承受更 高磁能积的新型永磁材料，利于电动机性能的提高。 1 2 2 混合式步进电机原理 混合式步进电动机是在永磁和变磁阻原理的共同作用下运转的，它也遵循磁 通总是沿着磁导最大的路径闭合的原则产生电磁转矩的。电磁转矩的方向总是朝 着主磁路磁导最大的方向。 u ab uu ab u 冈冈冈冈 图卜5a 相转子的稳定位置 混合式步进电动机的气隙磁动势有两种：一是由永久磁场产生的磁动势f ，； 另一是由定子绕组产生的磁动势f ，。在每个具体的磁极下，这两种磁动势有时 l o 浙江大学硕士学位论文混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 相加的，有时又是相减的，随交流绕组中通入的电流方向变化。在转子磁钢与定 子磁势相互作用下，产生电磁转矩。当a 相通电时，转子处于图i - 5 中所示的位 置，此时与n 极段转子铁心相对的定子a 相极下气隙磁导最大，与s 极段转子铁 心相对的定子a 相极下气隙磁导最小。这就是转子的稳定平衡位置。当外加力矩 使转子偏离稳定平衡位置对，例如转子向逆时针方向转了一个小角度a 8 ，则二 段定转子齿的相对位置及作用转矩的方向，如图1 - 6 所示。可以看到，二段转子 铁心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。可以 看出，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。绕组的通电状态改变，电动机的稳定平衡位置也改变， 在电磁转矩的作用下，转子将转到新的平衡位置。比如，a 相断电的同时，给b 相反向通电。b 相磁极呈n 极性，转子沿c b a 方向转过1 6 齿距，达到b 相磁 极与s 段转子齿轴线重合，与n 段转子齿错开1 2 齿距的位置，即达到其新的稳 定平衡位置。 刚ab u u ab u 南丽二冈冈 ( a )n 极转子段的情况 ： 刚ab uu ab u ( b ) s 极转子段的情况 图1 - 6 转子偏离平衡位置时，二段定转子齿的相对位置及作用转矩图 混合式( 步进) 电动机是整个系统能量转换的核心部件，正如它的命名一样， 混合式( 步进) 电动机是在磁阻反应与永磁体共同作用下运行的，这种特殊的结 构使得混合式( 步进) 电动机应用的范围十分广泛，从输出只有微瓦的微型电机 到输出达千瓦的功率电机都可应用混合式( 步进) 电动机，特别是在微小型电机 新哒学堡士多位论文 混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 中的应用。混合式( 步进) 电动机适用于低速高负载，定位精确，快速启动、停 止的系统中。 功率变换器是系统的通道，承担着电功率输入的任务。控制器是整个系统的 大脑，它依据各种检测信号，起决策和指挥作用。前级驱动起到驱动大功率管的 作用。位置传感器负责捕获转子位置信号，是开关混合式电动机系统控制的重要 基础。在响应速度要求较高的时候，通常还会加上电流环。以上各个部分相辅相 成，构成一个有机的整体。如图i - 7 图卜7 混合式步进电机及其驱动电路框图 对于三相的混合式步进电机，一般采用与无刷直流电机同类似的三相逆变桥 供电，可参看图卜2 。常用的通电方式有单向通电，两相通电和三相通电。其中 两相通电与直流无刷电机的三相六状态相似，相电压只有三种状态，或为上桥开 通为母线电压，或为下桥开通为地，或为上下桥都关闭，悬空态。唯一的不同在 于无刷直流电机为转子位置闭环，既先检测到转子位置信号才进行换相，这样的 优点在于不会失步。 1 2 3 混合式步进电机的发展 混合式步进电动机是在永磁感应式低速同步电动机的基础上发展起来的。二 相混合式步进电动机是上世纪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起来。二相电动机典型结构是定子8 个极，转子 齿数z = 5 0 ，整步方式工作时每转步数为2 0 0 ，即每个脉冲1 8 度，2 0 世纪7 0 年 浙江大学硕士学位论文混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 代中期提出的五相混合式步进电机，结构和原理上没有原则性区别，主要是增加 相数，定子一般为1 0 极，转子典型的齿数仍为x = 5 0 ，整步方式工作时，每转步 数为5 0 0 ，每脉冲为0 7 2 度。在分辨率、起停、振荡和噪声方面有了改善，但 相数的增加，导致成本的提高，因而也限制了其大规模生产。 我国的混合式步进电动机系统是8 0 年代从零发展起来的，经过近二十年的 发展，其生产与研制已具备一定的规模。混合式步进电动机理论研究方面己比较 成熟，发展和形成了比较完善的基础理论和设计方法，其产品设计己采用步进电 动机优化设计技术和步进电动机c a d 技术，产品种类已经系列化，技术其性能指 标已接近、达到或超过国外同类产品的水平。因此电动机的发展同国外的差距不 大。而由于我国的电力电子技术和驱动技术比较落后，致使我们的混合式步进电 动机驱动器的性能还无法与国外相比。国内许多驱动器生产、研制单位，太多互 相仿制或仿制国外的产品，技术不太成熟，对驱动器的研究及设计仅仅通过大量 的实验来完成，还没有明确的理论方法作为指导思想，因此使得步进电动机没有 运行在最佳状态，驱动器的稳定性和可靠性较差。步进电动机与它的驱动电源是 不可分割的一个整体，抛开驱动器来谈步进电动机的性能是不现实的，步进电动 机伺服系统的运行品质在很大程度上取决于其驱动电源的性能，同台步进电动 机在不同类型的驱动电源下运行，其性能会相差很大。 因此，在步进电动机伺服系统中，驱动电源控制线路和驱动线路的结构、参 量与电机本体的性能同等重要。一个良好的步进电动机伺服系统必须是综合考虑 驱动电源和步进电动机的最佳方案。根据我国目前的混合式步进电动机驱动器的 发展现状，为进一步改善步进电动机伺服系统的运行品质，发展、更新驱动电源， 应对其进行系统的研究和开发，寻找一个最优的驱动模式，这对我国微特电机的 发展有着重要的现实意义。 混合式步进电机是在磁阻式步进电机和永磁式步进电机的基础上发展起来 的，因此既有磁阻式步进电动机基于磁导变化的特性，又有轴向恒定磁场的永磁 式步进电动机的特征。其综合了该两类步进电动机的特点，因此性能更好。具有 分辨率更高，控制功率小等优点。混合式步进电动机按以下几个方面发展：叫 发展趋势一，小型化。随着电动机本身应用领域的拓宽，各类电机不断小型 浙江大学硕士学位论文 混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 化，适合于越来越多的场合。 发展趋势二，电动机的综合设计，将转子位置传感器、控制线路与电机本体 综合设计，使其能方便的形成闭环系统，因而有更优越的控制性能。 发展趋势三，控制算法复杂化。细分驱动是控制算法复杂化的一个显著的例 子。随着控制芯片的发展，控制芯片的运算速度和存储空间都有很大的发展， 可以存储更多的数据和做更复杂的计算，这就为细分驱动提供了可能。而细 分驱动用软件的算法能达到更好的控制精度和运行平稳度，是细分驱动发展 的动力。 发展趋势四，控制芯片功能越来越强大，专用芯片发展迅速。随着以d s p 为 代表的控制芯片的功能越来越强大，加上i r f ，t o s h i b a ，m o t o r a l a 等大公 司推出了多款功能强大、成本低廉、控制简单的无刷直流电机专甩控制芯 片，以前用霍尔信号加逻辑门搭建控制信号的做法，现在基本上被取代了。 而类似过流保护、死区控制、上下桥信号匹配检测、高温保护等复杂的功能， 也越来越多的加到了控制芯片的管理中。而专用芯片，有的将上桥盼自举电 路集成到其中，有的将功率器件集成在内，有的内部采用了无传感器方案， 全部不需编程，只要给予正确的信号，就能驱动电机。操作简单，可大大缩 短电机的开发周期。各种各样的专用芯片的发展，适合于不同类型、不同要 求电机的控制。其中值得一提的是，i r 公司的i p 瑚c s 2 0 1 ，2 0 3 伺服电机专用芯 片，只要将电机以及控制参数传输到芯片中，加一片单片机管理，就能实现 电机的速度环、电流环以及位置环的控制。而这种工作，用常规的方法来实 现的话，其控制算法往往是很复杂的。 1 3 本文课题的提出及意义 1 3 1 无刷直流电机与混合式步进电机的比较及本课题的提出 以上两节中，讨论了无刷直流电机与混合式步进电机的各自特点，原理以及 浙江大学硕士学位论文 混台式步进电动机无捌直流电机方式驱动方案及其仿真分析 应用范围、发展前景等。比较两者的优缺，可以发现，无刷直流电机具有效率高， 控制简单，机械特性好等优点。但不足在于低速运行时不够平稳、转矩脉动大。 尤其是无传感控制方案时，当转速降低到1 0 0 转分以下时，无位置方案对转子 位置的估算误差将进一步加大，般要采用特殊的补偿算法才能实现低速平稳运 行，且很难有进一步提高。这个问题，可以通过增加电机的极对数来解决。但普 通电机限于机械、加工方面的原因，难以有大幅度的增加，并且会带来加工成本 提高的问题。 混合式步进电机，有极对数可以做到很多的天然优势，在低速运行方面，有 着特殊的优越性。但步进电机一般不采用转子位置闭环，即不用位置传感器，或 者使用位置传感器只是用于测速和做位置环，而不是保证换相。这样，步进电机 就存在失步的可能性。且转子滞后于定子磁场的角度不确定，不利用电机的效率 的提高。 在控制方案方面，无刷直流电机的三相六状态通电顺序，与三相混合式步进 电机的两两通电模式相似。据此，本文提出了一种结合两者优势的控制策略，对 三相混合式步进电机采用转子位置闭环控制。 1 3 2 本文的研究课题及意义 本文在综合比较无刷直流电机与混合式步进电机在运行方式和工作特点上 的异同的基础上，利用其控制特性上的一些相似，将无刷直流电机特有的转子位 置闭环控制方案应用在混合式步进电机上。这种方案，充分利用了混合式步进电 机极对数多的天然优势，具有混合式步进电机定位精确，低速条件运行平稳的优 点，在调速范围广的场合，有其独有的优势。 另外，在多极对数的情况下，转子位置传感器显得难于选择。霍尔元件一 周需要固定3 p 个( p 为极对数) ，不管是成本问题，还是固定精度，都是很大的 麻烦。光电编码器可以解决固定精度问题，但又会大大增加电机的成本。所以本 文选择了无位置传感器的控制方案。 本文要完成的工作，首先，分析直流无刷电机的原理，以及比较几种无位 置传感器的特点，找出最合适的驱动方式，并建立起混合式步进电机在转子位置 闭环方式驱动下的系统的数学模型。然后进一步分析，并利用m a t l a b s i m u l i n k 浙江大学硕士学位论文混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 将数学模型转换为仿真模型。接着，找到合适的参数，利用建立起来的模型进行 仿真。在仿真的基础上，设计出基于t b 6 5 7 5 芯片的无位置传感器控制电路，用 实验来验证此方案的可行性。并调整电路的参数，使电机运行更平稳，响应更快， 并获得理想的调速范围和机械特性。最后，利用实验数据验证仿真模型的正确性。 1 6 浙江大学硕士学位论文混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 第二章混合式步进电机转子闭环控制的的数学模型与仿真 2 1 b i a t l a b 在电机仿真中的应用 2 1 1 仿真的意义 模型的仿真指的是，在产品的研发过程中，用数学方程式来模拟系统的运行 条件下，根据各个量之问的相互影响相互作用的关系，建立系统的模型。然后借 助数学方法以及计算机辅助分析的方法来模拟系统运行条件下，各个变量的变 化，并借此分析系统的可行性、可靠性等。系统仿真，在新产品的开发周期中， 有着重要的作用。首先，仿真能缩短开发周期。通过仿真来验证系统的可行性， 与传统的实验方法来验证相比，大大的缩短了时间。其实，与实验方法相比，仿 真验证可以节省大量的物资投入。而且，有些工作场合用实验方法来验证是充满 风险的，甚至是不现实的。如电力系统，银行系统。仿真作为一种验证手段，有 着很大的优越性。 2 1 2m a t l a b 的发展历程“阳 m a t l a b 名字由m a t r i x 和l a b o r a t o r y 两词的前三个字母组合而成。那是2 0 世纪七十年代后期的事：时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的c l e v e m o l e r 教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用l i n p a c k 和 e i s p a c k 库程序的“通俗易用”的接口，此即用f o r t r a n 编写的萌芽状态的m a t l a b 。 经几年的校际流传，在l i t t l e 的推动下，由l i t t l e 、m o l e r 、s t e v eb a n g e r t 合作，于1 9 8 4 年成立了m a t h w o r k s 公司，并把m a t l a b 正式推向市场。从这时起， m a t l a b 的内核采用c 语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数据 图视功能。 m a t l a b 以商品形式出现后，仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可 靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包( 如英国的u m i s t ，瑞典的l u n d 和 s i 0 n ，德国的k e d d c ) 纷纷淘汰，而改以m a t l a b 为平台加以重建。在时间进 浙江大学硕士学位论文 混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 入2 0 世纪九十年代的时候，m a t l a b 已经成为国际控制界公认的标准计算软件。 到九十年代初期，在国际上3 0 几个数学类科技应用软件中，m a t l a b 在数值 计算方面独占鳌头，而m a t h e m a t i c a 和m a p l e 则分居符号计算软件的前两名。 m a t h c a d 因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。在欧美 大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、 时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把抛t l a b 作为内容。这几乎成 了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志。在那里， f a t l a b 是攻读学位的大 学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。在国际学术界，m a t l a b 已经被确 认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流学术刊物上( 尤其是信息 科学刊物) ，都可以看到姒t l a b 的应用。 2 1 3m a t l a b 的特点n 1 3 m a t l a b 在历经了十几年的竞争和发展，现已成为国际公认的最优秀的科技 应用软件。该软件有如下优势： ( 1 ) m a t l a b 语言的简洁高效性使编程效率高 姒t l a b 是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编 写程序，且比b a s i c f o r t r a n 和c 等语言更加接近我们书写计算公式的思维方 式，用m a t l a b 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。因此， m a t l a b 语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言。由于它编写简单，所 以编程效率高，易学易懂。m a t l a b 程序设计语言集成度高，语句简洁，往往用 c c + + 等程序设计语言编写的数百条语句用m a t l a b 这样的高级语言，经常一条语 句就能解决问题，程序可靠性高、易于维护，可以大大提高解决问题的效率和水 平。 ( 2 ) 用户使用方便 m a t l a b 语言是一种解释执行的语言( 在没被专门的编译之前) ，它灵活、方 便其调试程序手段丰富，调试进度快，需要学习时间少，人们用任何一种语言 编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、链接，以及执行和调 试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间做瀑布型的循环。 1 8 浙江大学硕士学位论文 混合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 m a t l a b 语言其他语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、链接和执 行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作，快速排除输入程序中的书写错误、 语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说 在编程和调试过程中它是一种比v b 还要简单的语言。具体地说，m a t l a b 运行时， 如直接在命令行输入m a t l a b 语句( 命令) ，包括调用m 文件的语句，每输入一条 语句，就立即对其进行处理，完成编译、链接和运行的全过程。又如，将m a t l a b 源程序编辑为m 文件，由于m a t l a b 磁盘文件也是m 文件，所以编辑后的源文件 就可直接运行，而不需进行编译和链接。在运行m 文件时，如果有错，计算机屏 幕上会给出详细的出错信息，用户经修改后再执行，直到正确为止。所以可以说， m a t l a b 语言不仅是一种语言，广义上讲是一种该语言的开放系统，即语言调试 系统。 ( 3 ) m a t l a b 语言的科学运算功能 m a t l a b 语言以矩阵为基本单元，可以直接用于矩阵运算，另外最优化问题、 数值微积分问题、微分方程数值解问题、数据处理问题等都能直接m a t l a b 语言 求解。 ( 4 ) 语句简单，内涵丰富 m a t l a b 语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为： c a ，b ，c = f u n ( d ，e ，f ) ，即一个函数由函数名，输入变量d ，e ，f ，和输 出变量a ，b ，c ，组成，对于同一函数名f ，不同数目的输入变量( 包括无输入 变量) 及不同数目的输出变量，代表着不同的含义( 有点像面向对象中的多态性) 。 这个仅使m a t l a b 的库函数功能更丰富，而且大大减少了需要的磁盘空间，使得 m a t l a b 编写的m 文件简单、短小而高效。 ( 5 ) 高效方便的矩阵和数组运算 m a t l a b 语一言像b a s i c 、f o r t r a n 和c 语言一样规定了矩阵的算术运算符、 关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可 以毫无改变地照搬到数组问的运算。另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵 函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控 制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其他高级语言所不 1 9 浙江大学硕士学位论文 棍合式步进电动机无刷直流电机方式驱动方案及其仿真分析 能比拟的。在此基础上，高版本的m a t l a b 己逐步扩展到科学及工程计算的其他 领域。因此，不久的将来，姒t l a b 一定能名副其实地成为“万能演算纸”式的 科学算法语言。 ( 6 ) 扩充能力强，交互性好 高版本的m a t l a b 语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接 调用，而且m a t l a b 的库函数同用户文件在形式上一样，所以用户文件也可作为 m a t l a b 的库函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新 的库函数，以便提高姒t l a b 的使用效率和扩充它的功能。另外，为了充分利用 f o r t r a n c 等语言的资源，包括用户已编好的f o r t r a n ，c 语言程序，通过建立m 文件的形式，混合编程，方便地调用有关的f o r t r a n c 语言的子程序，还可以 在c 语言和f o r t r a n 语言中方便地使用g j l t l a b 的数值计算功能、这样良好的交 互性使程序员可以使用以前编写过的程序，减少重复性工作，也使现在编写的程 序具有重复利用的价值。 ( 7 ) 移植性和开放性很好 姒t l a b 是用c 语言编写的，而c 语言的可移植性很好。于是m a t l a b 可以很 方便地移植到能运行c 语言的操作平台上。凇t l a b 适合的工作平台有：w i n d o w s 系列、u n i x ，l i n u x ，w s6 1 和p o w e r m a c 。除了内部函数外，m a t l h b 所有的核 心文件和工具箱文件都是公开的，都是可读可写的源文件，用户可以通过对源文 件的修改和自己编程构成新的工具箱。 ( 8 ) m a t l a b 语言方便的绘图功能 l a t l a b 的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数( 命令) ，例如线性坐标、 对数坐标、半对数坐标及极坐标，均只需调用不同的绘图函数( 命令) ，在图上标 出图题、x y 轴标注，格( 栅) 绘制也只需调用相应的命令，简单易行。另外，在 调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。这种为科 学研究着想的设计是通用的编程语言所不能及的。m a t l a b 语言可以用最直观的 语句将实验数据或计算结果用图形的方式显示出来，并可以将以往难以出来的隐 函数直接用曲线绘制出来。m a t l a r 语言还允许用户用可视的方式编写图形用户 界面，其难易程度和v i s u a lb a s i c 相仿，这使得用户可以容易地利用该语言编 浙江大学硕士学位论文 混合式步进电动机无尉直流电机方式驱动方案及其仿真分析 写通用程序的库函数功能更丰富，而且大大减少了需要的磁盘空间，使得m a t l a b 编写的m 文件由于m a t l a b 的开放性，许多领域专家都为m a t l a b 编写了各种程序 工具箱。这些工具箱提供了用户在特别应用领域所需