（电机与电器专业论文）耐高温混合式步进电动机及其驱动系统研究.pdf

一：一 ：一当垒奎耋堡主耋堡墼塞。一：一一一 a b s t r a c t s c c p p j n gm o t o ri sa j 【i n do fe l e c t r o m e c h 柚i c a lc o m p o n e n tt h a ti sd r i v 曲协s t e p 卸掣e o ri i n ed i s p l a c c m e n tb ye l e 硎cp u l s es i 弘a 1 b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g c0 fe 鹞yo p e n 1 0 0 p n t m la i l d a c c u m u l a t i l l ge r r d r ，s t e p p i n gm o 自o fi sb c i n ga p p l i e dw i d e l yi nm 锄y t i e l d s np l a y s 孤i m p o n a n tf o l ei nm 柚u f a 咖r e ，t m s p o r t a t i o n ，e t c i nt h i sp a p c r ，t h es t e p p i n g m 咖rs y s t 锄i sm a d cf 研e n 酉n e 旬ds y s t e mo ft h eh e l i c 叩t c f t h es t e p p i n gm o t o r c d n t m l sf e ln u x 锄di ti sv e f yi i l l p 0 砌n tf 缸t 1 1 eh 甜咖6 玎l em a i n 。o n t c n to ft h e p a p c r i s ： 1 皿。p r i n c i p l e ，d m i n g 觚dt h e ”a r c ho ft l l eh y b r i ds t e p p 堍m o t o ra r c i i l t r o d u c e di nt h i sp a p e r 2 h io r d e r t o m e e t t h er e q u i r e m e n to f t a s l 【，ah y 啪ds t e p p i n g m o t o f m a d e 仃o m t h c a p p m p r i a t em a t e f i a l si sd e s i 印e d 觚di tc a l lw o r ki nt h eh i g ht c m p e r a t u r e ， 3 n em i a o - s t e p p i n g “v i n gf o rt h eh y b r i ds t e p p i n gm o t o ri si n t r o d u c c di nt h e p a p c ra i l dam i c r o - s t e p p i n gd r i v i n gc i f c u i ti sd e s i g n e d t h cc i 唧i tm a i n l yi n c l u d e st h e m c u ，d a c 觚du c 3 7 7 0 a1 1 l eo o n t m l l e r h 够g o o dp e 哟姗a n c e 柚di ti s s i m p l e ， r c l i a b l e 觚dv e r s a t i l e 4 皿e3 dm a 印e t i cf i e l do ft h ch y b f i ds t e p p i n gm o t o ri s 觚a l y z c db yt h ef e m s o f 细a r cm a g n c t t h ep a p c r 锄a l y z e st h em a 印e t i cf i e l do ft h em o i o r ，st e e t h 孤d g e t st h e c o g g i i l gt o r q u c 觚dt h et o r q u e 锄舀ed i s p l a c e m e n tc h a r a d e r i s t i ci nh a l fap i t c h k | e yw o r d s ：h y b r i ds t c p p i n gm o t o f ，m o t o rd c s i 髀，m i a 睁s t 印p i n gd r i v i n 岛3 dm a 印e t i c f i e l d 6 0 槽宽 以 齿宽 兄 气隙磁密 d 转子外径 b定子内径 l 永磁体外径 d ，定子外径 g 气隙长度 鬼 齿高 铁心叠压系数 电机铁心长度 电机的拍数 定子极数 铁心磁阻 绝缘磁阻 齿距 绝缘材料厚度 铁心厚度 转子齿数 定子每极齿数 符号说明 k ， p 巳 ， k 乙 么 f 电机极距 口 步距角 p 。 铁心磁导率 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己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；j 红- 日 期：2 堑l 虹 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：粒导师签名： 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 本课题中所研制的步进电动机是一种耐高温混合式步进电动机，是为某型号直 升机用发动机燃油控制系统研制的。电动机接受发动机燃油控制系统的指令信号驱 动油针，控制电液执行装置，从而改变供给发动机的燃油流量，是系统的关键执行 元件。 电液伺服阀是闭环控制系统中一种常用伺服控制元件，它能将微弱的电信号转 换成大功率的液压信号( 流量和压力) 。目前国内外航空发动机数控系统中较多地 采用了电液伺服阀作为执行元件。电液伺服阀作为连接电气部分和液压部分的重要 桥梁，具有体积小、结构紧凑、功率放大系数大、响应快和灵敏度高等优点。但由 于其结构复杂、加工精度要求高、内漏流量大，特别是抗污染能力低，影响了电液 伺服阀的可靠使用。 步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，步进脉冲 信号与角位移呈线性关系，角位移输出无累积误差。在直升机用发动机数控系统中， 步进电动机可作为电液转换装置使用，具有工作可靠、控制精度高等优点。但步进 电动机体积和重量大、工作环境受限制等缺点制约了其在发动机数控系统中的进一 步应用，因此研制耐高温、体积小、重量轻、转矩大、控制精度高和响应速度快的 新型步进电动机，将会提高步进电动机数控系统的性能和可靠性，从而取代航空发 动机数控系统中的电液伺服阀作为执行元件。 本课题中设计的步进电动机的工作位置在发动机的传动机匣内，工作环境极为 恶劣，要求电动机在高温环境下( 最高温度达1 5 5 ，常规步迸电动机工作环境温 度一般不超过8 0 ) 能够工作，同时还要求电动机具有体积小、转矩大、控制精度 高等要求。步进电动机在恶劣工况下的工作可靠性将直接影响到发动机的性能，进 而影响到直升机的正常工作，是发动机燃油控制系统的关键部件。 1 2 步进电动机的概述 一、步进电动机简介 步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，是一种将电脉冲信号转换为角位 移或线位移的执行机构。当步进电动机控制器接收到一个步进脉冲信号，它就驱动 步进电机转动一个固定的角度( 称为“步距角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一 步运行的。可以通过控制步进脉冲信号的个数来控制步迸电动机的角位移量，从而 达到准确控制位置的目的，同时通过控制输入步进脉冲信号的频率来控制步进电动 机的转速和加速度，从而达到调速的目的i 。 尽管步进电动机每走一步的步距角存在一定的误差，但是连续旋转一周后累计 误差为零。另外，步进电动机动态响应快，控制性能好。其突出的优点是可以在宽 广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转及制动控制。步 进电动机广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外部设备、绘图 机等方面瞌7 s j 。 二、步进电动机的分类 步进电动机的种类很多，从结构特点进行分类，主要类型有反应式( 也称为磁 阻式或变磁阻式) 步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机【1 ，9 ，1 0 l 。 1 、反应式步进电动机，定、转子均由软磁材料制成。定子上有多相绕组，定子 磁极和转子上开有小齿，定、转子铁心可做成单段式或多段式。齿距角可以 做得很小，起动和运行频率较高。电动机的内阻尼较小。断电时无定位力矩， 需用带电定位，功率消耗大。 2 、永磁式步进电动机，定子上有多相绕组，但定予磁极上不开齿。转子用永磁 体制成，转子极数与定子每相的极数相同。步距角较大，起动和运行频率较 低，相数多为偶数，断电时有定位力矩，控制功率小。 3 、混合式步进电动机，结构复杂，为永磁式步迸电动机和反应式步进电动机的 组合，定子结构与反应式步进电动机相同，转子由位于中部的环形永磁体和 位于两端的无磁性铁心组成。环形永磁体轴向充磁，两端的铁心上开有小槽。 步距角较小，有较高的起动和运行频率，有定位力矩，兼有反应式步进电动 机和永磁式步进电动机的优点。 2 山东大学硕士学位论文 三、步进电动机的优缺点 步进电动机的优点，归纳起来有以下几点【1 1 ，1 2 l ： 1 、可用数字信号直接进行开环控制，适合作为数字控制系统的伺服元件。 2 、角位移输出与输入步进脉冲信号数相对应，步距误差不积累，受外界条件影 响小，可以组成结构简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求高 精度时组成闭环控制系统。 3 、无电刷，电机本体部件少，可靠性高。 4 、步距角能在很大的范围内变化。在小步距角情况下，可在超低速获得高转矩 稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。 5 、控制性能好，易于起动、停止、正反转及变速。转速与步进脉冲信号的频率 同步，可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步迸电动机 可使它们完全同步运行。 同时，步进电动机也有自己的一些缺点： 1 、步进电动机带惯性负载的能力不强，即步进电动机的负载要与电动机的参数 及传动装置适当配合，才能获得良好的步进性能。 2 、由于存在失步和共振，需要加机械阻尼器，因此步进电动机的加减速方法根 据利用状态的不同而复杂化。 3 、不能直接使用普通的交直流电源驱动，需要配以适当的控制器。 1 3 混合式步进电动机的研究概况 一、步进电动机控制器的研究概况 1 、步进电动机控制器的组成 步进电动机不能直接接在交直流电源上工作，需要使用专门的步进电动机控制 器。步进电动机驱动系统的综合性能一方面取决于电动机本体的设计水平，但在很 大程度上还取决于步进电动机控制器性能的优劣1 1 1 l 。 步进电动机的控制器主要构成如图1 1 所示，一般由环形分配器、信号处理级、 推动级、驱动级等部分组成，用于功率步进电动机的控制器还要有各种保护线路。 山东大学硕士学位论文 匝豆互亘困一匾豆区互壅园一 图1 1 步进电动机控制器构成图 环形分配器接受步进电动机控制器的步进脉冲信号，并按步进电动机状态转换 表的状态顺序生成各相导通和截止的信号。每来一个步进脉冲信号，环形分配器的 输出转换一次。因此步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止完全取决于 外部步进脉冲信号的有无和频率。同时环形分配器还必须接受控制器的方向信号， 决定其输出的状态按正序或反序转换，控制步进电动机的转向。接受外部步进脉冲 信号和方向信号是环形分配器最基本的功能。 从环形分配器输出的各相导通和截止信号送入信号放大与处理级。信号放大的 作用是将环形分配器输出信号加以放大，变成足够大的信号送入到推动级。信号处 理是实现信号的某些转换、合成功能，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。 推动级的功能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。 保护级是为了保护驱动级的安全，一般可以设置过压保护、过流保护、欠压保护、 过热保护等。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1 3 j 。 2 、步进电动机控制器的特点 步进电动机控制器必须给步进电动机绕组提供足够的电压和电流。对步进电动 机控制器来说，步进电机的绕组是感性负载，电机运行时，电机绕组将产生与电源 电势相反的感应电动势，对电源起抑制作用。步进电动机在高速工作时，电机绕组 的电气时间常数的影响会显著变大，导通期间电流不能迅速上升到额定值，截止期 间绕组电流不能迅速截止，这都将导致步进电动机的转矩显著下降。此外，励磁绕 组两端在截止时刻还会产生很高的反电动势，若不采取措施，则有可能损坏开关元 件。 针对这些要求通常对步进电动机控制电路有如下要求【1 4 i ： ( 1 ) 能改善电流波形的上升沿和下降沿，产生接近矩形的电流波形。串限流电 阻是一种简单的改善驱动性能的方法，但是步进电动机静止时，限流电阻 的功耗较大。对大功率的步进电动机而占，常采用高低压或斩波方式驱动， 4 山东大学硕士学位论文 这些驱动方法虽然比较复杂，但驱动性能好，且具有较高的效率。 ( 2 ) 设置供截止期间释放电流流通的回路，降低绕组两端产生的反电动势，加 快电流衰减。 ( 3 ) 要求驱动电路的功耗低，效率高。 3 、常见的步进电动机驱动电路 混合式步进电动机控制系统的综合性能一方面依赖于电动机本体的设计水平， 但在很大程度上还取决于控制器的发展水平。常见的驱动电路有以下几种【1 l 体1 8 】： ( 1 ) 单电压串电阻驱动电路 单电压串电阻控制器是最早出现的控制器，是实现控制器基本功能的最简单的 电路形式，串电阻的目的是为了使绕组导通电流的上升沿变陡，改善高频特性。这 种控制器的主要优点是电路简单、成本低，缺点是运行效率低、电阻能量消耗大， 电阻发热会影响整个系统的工作条件。 ( 2 ) 高低压驱动电路 高低压驱动的设计思想是不论电动机工作频率如何，在导通的前沿用高电压供 电提高电流的前沿上升率，而在电流前沿过后用低电压来维持绕组电流。 高低压驱动的特点是可以在很宽的频段内保证绕组具有较大的平均电流，在截 止时又能迅速释放，使电机产生较大而稳定的转矩。这种驱动电路的缺点是低频时 绕组电流具有较大的电流上冲，因而低频时步进电动机振动较大，存在低频共振现 象。 ( 3 ) 斩波驱动电路 斩波驱动，也就是斩波恒流驱动。采取单电压串电阻驱动、高低电压驱动的目 的只有一个，就是要使导通绕组无论是在锁定、低频、高频时电流都保持额定值。 斩波驱动可以很好的解决这个问题。 在斩波驱动电路中有一个采样电阻，用来监测导通绕组中的电流。斩波驱动电 路中驱动电压较高且电动机绕组回路中没有限流电阻，所以电流上升速度很快。当 电流上升到额定电流时，由于采样电阻反馈控制作用，截断绕组回路，使绕组电流 下降。当绕组电流又低于额定值时，采样电阻的反馈使得绕组回路再次导通，如此 反复，绕组电流可以恒定在确定的数值上。 斩波频率可以由自身电路的特性决定，也可以用其他办法形成固定的斩波频 山东大学硕士学位论文 率。 步进电动机共振的基本原因是能量过剩。由于绕组导通期间，电源电压不是一 直供电，所以能减少电动机共振现象的发生。绕组励磁结束后，贮存在绕组电感里 的大部分能量能返回到电源中去，因此斩波驱动电路有很高的效率1 1 9 】。 ( 4 ) 细分控制电路 细分控制也称为微步驱动。细分控制技术是7 0 年代中期发展起来的一种可以显 著改善步进电动机综合使用性能的驱动控制技术。1 9 7 5 年美国学者t r f r e d r i k s e n 首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电动机步距角细分的控制 方法【1 5 加】。基本思想是在每次步进脉冲信号切换时，不是将绕组电流全部通入或切 除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样电动机的合成磁势也只旋转步 距角的一部分，转子的每步运行角度也只有步距角的一部分。利用电流控制技术可 以有效的实现步进电动机的微步驱动。实践证明，步进电动机细分控制技术可以减 小步进电动机的步距角，提高电动机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。 采用电流控制技术及细分控制技术，能准确有效地控制电动机绕组电流，进一 步提高步进电动机系统的运行性能，是步进电动机控制器发展的主要趋势。同时， 集成化、模块化有利于提高控制器的可靠性和电磁兼容性，减小控制器的体积，也 是步进电动机控制器发展的必然趋势1 1 5 1 6 ，2 1 1 。 二、混合式步迸电动机理论研究概述 混合式步进电动机属于定、转子双开槽( 双凸) 结构，内部磁场变化复杂，不 能用常规电机磁路计算方法来计算和设计。步进电动机的定、转子齿槽效应对电机 的转矩和运行性能起着很大的作用，不能像分析传统电机那样不计齿槽效应，仅用 气隙系数来近似考虑齿槽效应的影响。步进电动机的气隙磁场随转子位置角( 定、 转子的相对位置) 不同而改变，其磁路的特性不能简单地用一条磁化特性曲线来表 示。另外步进电动机的气隙特别小( 有时在0 0 5 咖以下) ，主磁路通常设计在高饱 和状态。此外，随着定、转子相对位置的改变，在励磁磁势不变的情况下步进电动 机主磁路的饱和程度也发生变化。正是这些结构的特殊性和磁系统的复杂性，使得 步进电动机计算方法的发展和完善经历了一个较长的时期【2 2 2 4 i 。 步进电动机在2 0 世纪7 0 年代及以前基本上均采用线性分析方法。线性分析方 法包括解析分析法求解气隙磁场和气隙比磁导法等。线性分析方法的不足之处在于 6 山东大学硕士学位论文 将定转子铁心表面看成等磁位面，并且认为齿部磁密分布均匀。实际上，步进电动 机齿部磁密常常十分饱和，齿内磁密分布很不均匀，铁心表面也不是等磁位面，因 此线性分析法的结论以及在此基础上建立的计算方法是不精确的i 驯。 7 0 年代末人们开始研究步进电动机的非线性计算方法。j r b f 卸e i l 2 5 l 利用通用 的磁场计算有限元程序计算了轴向磁化的永磁盘式转子步进电动机，取整个电动机 作为场求解区域。计算结果表明，最大静转矩的值与测量值的误差仅为2 ，但是 计算量太大。后来为了解决计算精度与计算量的矛盾，一种新模型步进电动机 的齿层比磁导法模型开始用于步进电动机的计算、设计及研究中。这是一种场路结 合的模型，就是对步进电动机的关键部分即齿层区域( 包括气隙和定转子齿层铁心) 用数值计算方法进行场求解，将求解后的磁参数齿层磁导作为集中参数与电动 机其它部分磁路( 包括定子极身磁路、定子极间漏磁路、定转子轭磁路) 构成一个 非线性的磁网络【2 4 l 。齿层比磁导法缓和了计算量和计算精度的矛盾，但它毕竟是一 种场路结合的方法，而并非纯粹的场方法，因此它所计算的结果精度必然要受到一 定限制。 目前，随着应用软件和计算机技术的不断发展完善，我们已经可以在普通的p c 机上用有限元软件对步进电动机进行三维磁场分析。 1 4 本文的主要工作 l 、本文在阅读大量文献基础上，对步进电动机研究状况做了深入了解。根据 课题中对步进电动机耐高温的要求，选择合适的材料，设计了一台二相混合式步 进电动机。 2 、为满足课题的步距角要求，设计了一个混合式步进电动机细分控制器，可 实现整步运行、2 细分、4 细分、8 细分、1 6 细分、3 2 细分、6 4 细分、1 2 8 细分等多 种驱动方式。本文设计的细分控制器由单片机、d a 转换器及步进电机驱动器 u c 3 7 7 0 a 等元件构成硬件驱动电路。该控制器具有电路结构简单、性能优良、可 靠性高以及较大的通用性等特点。 3 、采用有限元计算软件m a g n e t 计算了二相混合式步迸电动机的三维静态磁 场，重点分析计算了步进电动机齿层区域内的磁场变化情况，并计算得到了该混 合式步进电动机在半个齿距角内的齿槽转矩和矩角特性。本文利用“场”的方法 7 山东大学硕士学位论文 代替了以前“路”的方法及“场路结合”的方法，使计算精度大为提高。 8 山东大学硕士学位论文 第二章混合式步进电动机的设计 混合式步进电动机结构特殊，加之发展历史不长，因此它的理论和设计方法不 如传统结构的电机成熟。近年来，由于各种高矫顽力稀土永磁材料的出现，促进了 混合式步进电动机的发展。与其它类型步进电动机相比，相同体积下混合式步进电 动机可以提供较大的转矩，这使得在有限的工作空间中要求小步距角、大转矩的情 况下，往往选用混合式步进电动机。本课题中步进电动机的工作位置是在发动机的 传动机匣内，工作环境极为恶劣，要求电动机在高温环境下( 最高温度达1 5 5 ， 常规步进电动机工作环境温度一般不超过8 0 ) 能够工作，同时还要求电动机具有 体积小、转矩大和控制精度高等特点，因此我们要设计一台具有耐高温、体积小、 转矩大和控制精度高等特点的混合式步进电动机。 2 1 混合式步进电动机的工作原理 混合式步进电动机通常有二相式和五相式两种。与二相混合式步进电动机相比， 五相混合式步进电动机具有分辨率高、起动频率高、运行频域宽、运行平稳性好等 优势，但是它的功率驱动电路成本较高。随着基于电流波形控制的细分控制技术的 发展，二相混合式步进电动机采用细分控制技术可以提高分辨率，使得运行性能提 高，能在相同分辨率的情况下取代五相混合式步进电动机【雏2 9 1 。 以二相混合式步进电动机为例，介绍混合式步进电动机的工作原理，图2 1 为 典型二相混合式步进电动机。 图2 1 二相混合式步进电动机 9 山东大学硕士学位论文 电动机定子铁心上有若干个大极，在每个大极面上均匀分布着一定数量的小齿。 在定子相邻大极齿的槽内放置绕组线圈，绕组线圈能以两个方向通电，形成a 相、 万相和b 相、万相。定子铁心截面图如图2 2 所示。 图2 2 定子铁心截面图 电动机转子是由转子铁心、永磁体和转轴装配而成。转子铁心分为两段，每 一段在圆周上均匀分布一定数量小齿且定、转子齿距相同，两段转子铁心相互错 开半个齿距。在两段转子铁心中间夹有一块轴向充磁的圆环形永磁体，转子结构 如图2 3 所示。永磁体产生的磁通沿轴向穿过转子，然后通过气隙经定子轭部分闭 合，这使得一端的转子铁心全部呈现n 极性，另一端的转子铁心全部呈现s 极性， 永磁体产生的磁路如图2 4 所示。 - f 二了_ 1li i 1 辫兰j 图2 3 转子结构图图2 4 永磁体产生的磁路 为便于分析混合式步进电动机的工作原理，我们将步进电动机沿圆周展开，并 展成平面，如图2 5 所示。当定子a 相绕组通电时，励磁电流通过定子磁极1 、3 的绕组。定子磁极1 产生n 极，磁极3 产生s 极。此时转子处于图2 5 所示位置， 气隙中的磁场由永磁体和通电绕组共同产生。在图2 5 ( a ) 中，磁极1 下面的两个磁 1 0 山东大学硕士学位论文 场相互增强，产生向左的驱动力，磁极3 下的两个磁场相互抵消，向右的驱动力大 大削弱。在2 5 ( b ) 中，磁极3 下面的定子磁场和转子磁场方向相同，磁极l 下面的 两个磁场方向相反，最终转子得到向左的合力。转子在驱动力的作用下，将转过1 “ 齿距到达平衡位置。 定子 l 几几几几几几几几几几几几几几n 几几几几几n 几几nr n 二二二二玉耍巫匠二二二二二二二二二玉亟固 转子 ( a ) 。二熙勰二，孵好 二二二二玉面匾匠二二二二二二二二二面羽面 二转子 图2 5 混合式步进电动机工作原理图 如果切断磁极1 、3 的励磁电流，向磁极2 、4 的线圈通入电流，磁极2 、4 分别 产生s 、n 极，转子将再向左转动1 4 齿距。按照特定的时序励磁，如 a - 百彳b - a ，电机就能沿逆时针方向旋转，以a - b 孑瓦- a 顺序励磁， 电机将沿顺时针方向连续旋转。 二相混合式步进电动机的步距角口可由下式计算； 口型 z 其中，为电机的拍数，z 为电机转子齿数。 2 2 混合式步进电动机的设计特点 混合式步进电动机的工作原理是电机气隙磁场为电机定子线圈产生的径向磁 场对转子内永磁体产生的轴向磁场的作用，导致极齿下的气隙磁势压降不同，这 个差值与定、转子齿层结构引起随转角变化的磁导的作用，产生转矩。气隙磁场 的合成不是像一般电动机那样为两磁场的矢量合成，而是两个磁场的算术加减， 山东大学硕十学位论文 这是它的特点之一。气隙合成磁场的算术叠加，只有在径向气隙磁场的场强小于 或等于轴向磁场时才成立。当径向磁场的气隙磁场强度超过轴向磁场的气隙磁场 强度时，超过部分的场强不产生力矩，这是因为超过部分的磁场在极齿之间的作 用，与永磁体未充磁前定子线圈电流产生的径向磁场单独作用时的效果相同。这 是混合式步进电动机设计上区别于其它各类电动机的重要特征。使极齿下径向气 隙磁场小于等于轴向气隙磁场是混合式步进电动机的设计原则，相等时为最佳设 计p 卅。 通常，任何电动机都有一个合适的气隙磁密。这里假定步进电动机的气隙磁 密玩为常数。根据上面概念可写出如下式子： 半岛。c o 脚( 2 1 ) 式中妒，为轴向磁势在气隙中产生的磁通，妒。为定子磁势在气隙中产生的磁 通，f 为电机极距，f 为电机铁心长度。 当选定了永磁体、确定了电机内径、选择了合适的齿层尺寸之后，永磁体产 生的轴向磁通可认为与电机铁心长度无关，线圈电流产生的径向磁通随铁心长度 增减而增减。由式( 2 1 ) 可见，为了使气隙磁场分配合理，使轴向磁场等于径向磁 场，对于一定尺寸、一定材质的永磁体，必然对应着一个最佳铁心长度。 混合式步进电动机的磁路如图2 6 所示，永磁体产生的磁通由永磁体穿过转 子，然后通过气隙经定子轭部分闭合。混合式步进电动机的磁路是径向磁路和轴 向磁路的混合，气隙两边齿端处磁密最高，然后随径向尺寸的延伸而逐渐减小。 实践表明，齿端磁密取高饱和磁密为最佳。电机轭、齿部分的磁密径向是正交磁 密，轴向既是正交磁密，又是梯形分布磁密，这是混合式步进电动机的又一特点。 1 2 l rf t l 辫兰_ j 图2 6 ( a ) 永磁体产生的磁通路径 山东大学硕士学位论文 缨囤 囤围 图2 6 ( b ) 线圈电流产生的磁通路径 设计混合式步进电动机时，应该首先确定电动机的径向几何尺寸，然后选择 转子永磁体的材料和尺寸，初选铁心长度，计算永磁体轴向磁路的磁导，绘制永 磁体工作图，求出永磁体有效磁通。折算到极齿端磁密，如果所得到的磁密值太 小则增长铁心长度，反之则减小铁心长度。调整后重新计算，直至得到合适的铁 心长度为止。再以等磁密为基准，计算电动机的静转矩。如果静转矩太小，可通 过增加并联转子铁心单元数增加静转矩，使静转矩值满足设计要求。然后通过电 路和径向磁路的计算，确定产生径向磁场所需的线圈参数，计算过程需反复多次。 混合式步进电动机经过约3 0 年的发展，确立了它在各类步进电动机中的主流 地位。目前，混合式步进电动机的设计主要有以下几个趋势1 1 0 2 6 l ： 1 、沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的 不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。在5 7 、4 2 机座号的电动机 应用了多年后，现在其机座号向3 9 、3 5 、3 0 、2 5 方向延伸。 2 、改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方形结构，提高了硅钢片的 利用率，增大了电动机内部有效空间，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其 力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高 3 0 | o 。 3 、增加转子铁心单元数。混合式步进电动机的转子可以是一个或几个单元， 每个单元是由相互错位半个转子齿距的两个铁心段与夹在它们中间的轴向充磁 的永磁体组成。由于每个单元中的永磁体的截面积受转子直径的影响，能提供的 磁通有限，所以即使增加铁心的长度也不会产生更大的转矩，但是通过增加转子 山东大学硕+ 学位论文 单元数，可使转矩成倍增大。 4 、对电动机进行综合设计，即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综 合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性 能。 5 、提高绕组绝缘等级。国外混合式步进电动机普遍采用b 级或者更高的绝缘 等级，b 级绝缘允许温度为1 3 0 ，电动机机壳表面可允许达到1 0 0 。较高的允 许温升可以适当提高绕组电流密度，因此在绕组空间不变的情况下，获得更多的励 磁安匝数。 2 3 混合式步进电动机材料的选择 本课题中步进电动机是为直升机用发动机燃油控制系统设计的，要求保证步进 电动机在环境温度1 5 5 时能可靠工作，因此在选择步进电动机材料时，应考虑温 度的影响。 一、永磁体材料的选择 混合式步进电动机的性能及应用范围与永磁体材料的性能密切相关。在进行永 磁体材料的选择时通常要考虑以下问题【3 1 l ： 1 、应保证电机气隙中有足够大的气隙磁场。 2 、在规定的工作温度和使用条件下应能保证永磁体磁性能的稳定性。 3 、有良好的机械性能，以方便加工和装配。 4 、经济性要好，价格适宜。 我们常用的永磁材料有铁氧体永磁材料、铝镍钴永磁材料、钕铁硼永磁材料、 钐钴永磁材料等。 铁氧体永磁材料的优点为价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵金属；矫顽力 较大，抗去磁能力较强；密度小、质量较轻。它的主要缺点是剩磁密度不高，最大 磁能积较小。另外铁氧体永磁材料的温度系数为0 1 9 ，环境温度对磁性能的影 响较大。因此在高温下工作稳定性、电机出力和控制精度都不能满足要求。 铝镍钴永磁材料的优点是温度系数小，剩磁密度较高，它的主要缺点是矫顽力 很低，容易退磁，并且它的退磁曲线呈非线性变化，因此铝镍钴永磁材料不能满足 要求。 山东大学硕士学位论文 钕铁硼永磁材料的优点是剩磁密度较大，高矫顽力，但是它的不足在于居里温 度仅为3 5 0 左右，故电机在温度1 5 0 以上工作时的可靠性和稳定性将不能保证。 钐钴永磁材料耐高温且剩磁密度、矫顽力及最大磁能积都很高，其退磁曲线基 本上是一条直线，回复线基本与退磁曲线重合，抗去磁能力强。它的居里温度一般 为7 1 0 一8 8 0 ，最高工作温度在2 5 0 以上。 为满足本课题中电机的设计要求，采用钐钴材料x g s 2 0 0 作为该电机的永磁体 材料，它能满足步进电动机在整个温度范围内各项工作性能指标要求，而且能大大 提高电动机的功率密度。根据它居里温度高的特点，可以确保电动机在高温环境下 运行的可靠性。表2 1 为钐钴材料x g s 2 0 0 的磁特性表，其退磁曲线如图2 7 所示。 表2 1 钐钻材料x g s 2 0 0 的磁特性 厦温度系回复磁 剩余磁感应强磁感应矫顽力最大磁能积 数口n 2 0 导率 密度 牌号度罡 日。( b h ) ， 一1 0 0 t ( k g )k ( k 0 c ) l ( j 脯 ( m g 仉) k 。l 鬯矗 1 0 0 一1 0 0 6 4 0 _8 0 1 9 2 -2 4 1 0 5 _8 1 x g s 2 0 0- 0 0 3 1 1 01 1 o7 2 09 o2 0 82 61 1 08 3 豇( 的e j 1 81 6 1 2l o8 642o 图2 7 钐钴材料x g s 2 0 0 的退磁曲线 二、软磁材料的选择 本课题中要求电机转矩大、体积小和重量轻，因此我们应该选用高饱和磁感 应强度软磁合金材料。铁钴钒( 1 j 2 2 ) 软磁合金1 3 2 1 是一个很好的选择，该软磁材料 具有在迄今为止所有磁性材料中最高的饱和磁感应强度( 饱和磁感应强度可达 2 4 t ) 、极高的居里温度( 居里温度为9 8 0 ) 和最大的饱和磁致伸缩系数等特性， 因而极适合用于作要求重量轻、体积小的航空器件。 由于它饱和磁感应强度高，各向异性小，在制作同等功率的电机时，可大大 缩小体积。由于它居里温度高，使它能在其他软磁合金已经失效的高温环境下工 作，而且仍能保持良好的磁稳定性。这些突出的特性是其他材料无法比拟的。在 高温环境下，该材料的磁性能比常规软磁材料至少提高3 0 ，可以有效地减小电 动机体积和重量，提高工作效率。 铁钴钒( 1 j 2 2 ) 软磁合金的磁性能如表2 2 所示。 表2 2 铁钴钒( 1 j 2 2 ) 合金的磁性能 牌 在不同磁场强度n ) 时的磁感应强度厂r 矫顽力 号b 4 0 0b 8 0 0b 1 6 0 0b 2 伽b 4 0 0 0b 8 0 0 0hc 似f 呐 1 j 2 2 1 6 01 8 0 2 0 0 2 1 02 1 5 2 2 01 2 8 2 4 混合式步进电动机的设计 一、电机主要技术指标 外形尺寸妒5 6 5 6 m m 、电压d c 2 4 v 、相电流1 a 、静转矩o 5 n m 、最高 运行转速2 0 0 转分、起动转速1 5 0 转，分、步距角o 3 6 。、步距角精度5 4 、振动 _ o 5 9 3 5 9 、环境温度一5 0 1 5 5 。 二、电机定转子尺寸的设计 根据给定电动机的尺寸要求，确定定子外径d 。，采用无机壳结构。根据对步 距角的要求来确定转子齿数z ，一5 0 ，定子极数p 一8 ，每极大槽槽宽6 0 以及定子 每极齿数z 。 定子铁心内外径尺寸的合适比值是o 4 加7 ，对于极数多齿距小的电动机，通 常比值在o 5 左右。齿宽与齿距的比值对电动机的性能指标有相当大的影响，一般 取0 3 2 o 3 8 较合适，极限值不能超过0 5 。齿高与齿距的比值取o 5 1 ，通常小 齿距的电动机可取偏高值。气隙值对电动机性能影响很大，通常小气隙值可以提 1 6 山东大学硕士学位论文 高电动机性能，一般取加工工艺容许的最小值【3 3 】。 确定永磁体形状，对静态的磁路进行计算，估算永磁体的尺寸及其静态工作 点、气隙磁密、各部分的磁压降、电动机的自定位转矩等数据。这个过程也就是 确定永磁体尺寸、定子尺寸、转子尺寸和气隙大小的过程。 初选定子内径d i - ( 0 5 0 6 ) 见，可得到齿距f ，取齿宽i - o 3 ，齿高 _ i l ，- 0 电，根据加工工艺确定一个尽量小的气隙值g 。转子外径d ，一b 一2 9 。永 磁体外径确定为d 二一d ，一2 j i f ，从饱和比转矩最大角度出发，确定单段定转子铁 心的长度。 建立电动机的非线性磁网络模型，在不同的励磁安匝数下求解非线性磁网络， 求出电动机的最大静转矩曲线。若满足转矩要求，则认为设计合理，否则修改定 子内径重新计算。 通过以上步骤设计，最终得到一台混合式步进电动机尺寸如图2 8 所示： ( a ) 定子轴截面尺寸 ( c ) 转子轴截面尺寸( d ) 转子齿尺寸 1 7 5 45 45 4 5 45 45 4 - j 卜卜 - - ( d 永磁体尺寸转子装配图 图2 8 混合式步进电机尺寸 其中，定子铁心长度为4 0 m m ，定转子均为5 0 齿，转子由三个单元组成。每段 转子铁心轴向长度为5 4 m m ，永磁体厚度为1 8 蛐。安装时，转子铁心段1 和铁心 段2 相差半个转子齿距，铁心段3 和铁心段4 相差半个转子齿距，铁心段5 和铁心段 6 相差半个转予齿距。铁心段1 、3 、5 的位置相同，铁心段2 、4 、6 的位置相同， 转子装配图如图2 8 ( d 所示。 定子采用通孔结构，由带绕组的定子铁心和前、后端盖组成，其周围的空间 浇铸环氧树脂，既增加定子的结构强度，又便于加工定子的内孔，同时尺寸精度 在工艺上容易得到保证m 3 5 1 。 三、绕组设计 电动机为二相混合式步进电动机，定子为8 个极，电机绕组连接图如图2 9 所 示。为减小驱动电流，电机绕组采用串连形式，而不是并联形式【3 5 】。因为电动机 的工作环境温度最高可达1 5 5 ，对电机采用h 级绝缘，h 级绝缘最高允许温度为 1 6 5 。 线径和匝数首先要满足一定槽满率的要求，槽满率可取0 2 5 加4 。在磁场没有 饱和的情况下，电动机的静转矩即保持转矩一般与安匝数成正比，总希望安匝数 大越大越好，设计中取电机定子绕组线圈为“匝。 。：。：当垄奎耋：堡圭茎堡：丝：塞： 图2 9 绕组连接示意图 1 9 山东大学硕七学位论文 第三章混合式步进电动机细分控制器设计 3 1 混合式步进电动机细分控制的原理 以往的步进电动机控制器都是按照环形分配器决定的分配方式，控制步进电动 机各相绕组的导通和截止，从而使步进电动机产生步进旋转的合成磁势拖动转子步 进旋转，步距角已由步进电动机的结构所决定。 如果要求步进电动机有更小的步距角、更高的分辨率或者减小步迸电动机的噪 声、振动等，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切断，而是 只改变相应绕组额定电流的一部分，则步进电动机的合成磁势也只是旋转步距角的 一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里绕组电流不再是一个方波， 而是阶梯波，额定电流台阶式的投入或切断，电流分成多个台阶，转子则以同样的 步数转过一个步距角，这种将一个步距角分成若干步的驱动方法称为细分控制【3 6 l 。 以二相混合式步进电动机为例，当电机以整步方式运行时，a 相、b 相绕组电 流波形以及其合成电流矢量如图3 1 所示。 a 栩电流一 v 。：一 。；。 1 ： 、：nr ， 十 j 。 一o 卫j l 鹳一 “ _ ( a ) 相电流波形图( b ) 合成电流矢量图 图3 1 步进电机无细分驱动时的相电流波形与合成电流矢量图 由图3 1 可以看出，当混合式步进电动机绕组中通过图中电流时，定子就可以 得到一个旋转变化的磁场，转予也会随着这个旋转的磁场转动。当定子合成磁场方 向旋转一周时，转子转过一个齿距。步进电动机转动的速度取决于电机各相的通断 电频率，其转向取决于通电的次序，这就传统的步进电动机驱动原理。 2 0 山东大学硕士学位论文 步进电机细分控制的原理是在改变各绕组电流的通断和方向的同时也改变各绕 组电流的大小，通过获得任意位置的合成磁场方向来驱动电机以任意大小的步距角 转动。当步进电动机a 、b 两相绕组通以图3 2 ( a ) 所示电流时，其合成电流矢量如 图3 2 ( b ) 所示。 o 寻 一 厶 ” i 过 0 一 、 ，一。 耖r 一 一确队? 。| ji 一 | 一幸，s ； ( a ) 相电流波形图( b ) 合成电流矢量图 图3 2 步进电机细分驱动时的相电流波形与合成电流矢量图 从图3 2 中可以看出通过按照一定规律改变各绕组电流的大小和方向就可以获 得以任意小步距均匀旋转的合成磁势方向，从而驱动步进电机以任意大小的步距角 转动。但是从图中也可以看到，这种阶梯电流的细分控制方式所获得的磁势幅值大 小不是恒定的，使得步进电动机的转矩并不恒定，这在一定程度上会影响电机的驱 动性能。 一般情况下，步进电动机绕组合成磁势的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相 邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步进电 机的恒力矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成 磁场的幅值恒定，而且每个步进脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。 如果二相混合式步进电动机的a 、b 两相绕组分别被通以正余弦变化的阶梯波 电流，且两相绕组电流按下式变化时， 侥：z ：； ， 则合成后的电流矢量的幅值为l ，转过的空间角为口。令目，兰生s ，n 为细分数， 山东大学硕士学位论文 s 为步数，这样合成磁势就可实现恒幅均匀旋转。两相绕组电流波形如图3 3 ( a ) 所示，则其合成电流矢量如图3 3 ( b ) 所示，合成电流矢量幅值大小恒定【卅。 由图3 3 可以看出，当二相混合式步进电动机的a 、b 两相绕组分别通以正余弦 变化的阶梯波电流就可以使混合式步进电动机以恒力矩方式转动。 4 飞a 棚电流 题黔 “一 飞矿 7涩夕 ( a ) 相电流波形图合成电流矢量图 图3 3 步进电机恒力矩均匀细分驱动的理想电流与合成电流矢量图 3 2 芯片p i c l 8 f 2 3 3 1 简介 p i c ( p c r i p h e r yh l t e r f a c ec l l i p ) 系列单片机是美国m i i p 公司推出的产品。p l c 系列单片机的硬件设计简洁、指令系统设计精炼。p i c l 8 f x 聪系列是r i s c 指令集 的高级产品。芯片内部含有刖d 、e e p r o m 存储器、比较输出、捕捉输入、p w m 输出、1 2 c 和s p i 接口、c a n 接口、异步串行通信m s a r d 接口、f i a s h 程序存储 器等。 p i c l 8 f 2 3 3 1 是高性能的2 8 引脚增强型闪存单片机。它的主要功能特点如下： 具有8 k 的f i a s h 程序存储器，7 6 8 字节内部r a m 数据存储器，2 5 6 字节 数据e e p r o m 存储器。 1 6 位宽度指令总线、8 位宽度数据总线 1 4 位功率控制p w m 模块： 多达4 个具有互补输出的通道 边沿或中心对齐的操作 硬件故障保护输入 山东大学硕士学位论文 占空比和周期同步更新 运动反馈模块： 三个独立的输入捕捉通道 正交编码器接口 高速1 0 位a d 转换器： 多达9 个通道 两个通道同步采样 连续采样：1 、2 或4 个选定通道 自动转换能力 可选的外部转换触发器 可编程的采集时间 灵活的振荡器结构： 4 种晶振模式，频率高达4 0 m h z 两个外部时钟模式，频率高达4 0 m h z 内部振荡电路 外设特点： 三个外部中断 两个捕捉比较伊w m ( c c p ) 模块 增强型u s a r t 模块 3 3 细分控制器硬件电路设计 硬件电路设计是混合式步进电动机细分控制器的重要组成部分，在设计上应 力求简单、可靠，将复杂的功能