（电力电子与电力传动专业论文）新型航空直线直流电动机驱动控制系统研究.pdf

西北工业大学硕士论文 a b s t r a c t t h et h e s i sr o o t si nt h ei t e m s u p p o r t e db y “f i f t e e n ”a v i a t i o n f u n d s - n e w t y p e a e r o n a u t i cl i n e a rd cm o t o r ( l d c m ) ，s t u d yi t 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 k p r i n c i p l e ，m a i n l yr e s e a r c h e st h ed r i v ea n d c o n t r o lt e c h n i q u eo fa e r o n a u t i cl i n e a rd c s t e pm o t o r ( l d c s m ) u s i n g i ne m e r g e n c y d i s c h a r g i n go i lv a l v eo na i r p l a n e t h ep a p e rd i s c u s s e st h ew o r kp r i n c i n p l eo fl d c s m ，a d o p t ss i n g l e c h i pa sc o r e c o n t r o lc e l l ，p u t sf o r w a r dt w ok i n d so fc o n t r o ls c h e m e s ，a n a l y z e sa n ds t u d yt h e t e c h n i q u e s c h e m e 、h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f e a c hc o n t r o ls y s t e m s e p a r a t e l yi n d e t a i l ，o nt h eb a s i so ft h ec e n t r a l i z e dw 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 g c o n t r o lm e t h o do f t w o p h a s eh y b r i d l i n e a rd c s t e pm o t o r ( h d c l s m ) 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 ，a d o p t i n gs i n g l e c h i pr e a l i z eo p e nl o o p d i g i t a lc o n t r o lo fh d c l s m ；u s i n g v fc o n v e r s i o na n dc o m p l e x k e y c o n t r o lm e t h o d r e a l i z ed i g i t a l s e t t i n go fs y s t e mp a r a m e t e r ，s u c ha sv e l o c i t y ；u s i n gm i c r o s t e p p i n g c o n t r o li n s u r et h em o t o rr u n n i n gm o r es m o o t h l y ；a d o p t i n gd e b a s i n gs p e e dc o n t r o l m e t h o dt oe l i m i n a t et h em e c h a n i c a li m p a c to fd i s t a n c et e r m i n a t i o ne f f e c t i v e l y ；a tt h e s a m et i m e ，a n a l y z i n gm 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 f s y s t e m ， c o m p l e t i n gh 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 ep r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n g ； a tl a s t ，m a k i n gaw h o l et e s ti nh y b r i dr o t a r ys t e pm o t o r t h e e x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mr e a c h e st h eq u a l i t i e sr e q u i r e d a n dr n ns m o o t h l ya l s o m o r e o v e r ，t h ea e r o n a u t i cl i n e a rd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mn o t o n l yc a ni n s t e a dt h ed r i v em o t o r o f e m e r g e n c yd i s c h a r g i n g - o i lv a l v e ，b u ta l s oc a l lb e u s e di ns o m el o wp o w e re t e c t r o m o t i o nm a c h i n em a k i n gl i n e a rl o c o m o t i o n t h e m 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 dp r e f e r a b l y k e y w o r d s ：l i n e a rd cm o t o r ( l d c m ) ，h y b r i d l i n e a rd c s t e p p i n gm o t o r ( t t l d c s m ) s i n g l e c h i p ，s u b a l l o c a t i o nc o n t r o l ，e m e r g e n c yd i s c h a r g i n g o i lv a l v e 第1 章绪论 第1 章绪论 本章介绍了直线电机的分类特点和优越性及其发展前景，并概述了所研制 的新型航空用直线直流电动机驱动控制系统的研究目的，主要研究内容和关键 技术以及系统的性能指标等，并阐述了作者所做的主要研究工作。 1 1 直线电机的优越性及发展前景 1 , 1 1 直线电机的国内外发展概况及应用 直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能， 而不需要通过任何中间转换机构的新颖( 特种) 电机。它是2 0 世纪下半叶电工 领域中出现的具有新原理、新理论的新技术【3 】。它具有结构简单、传动效率高、 运行可靠、直线速度可调、噪声小、热负荷高，耐腐蚀、耐高温等优点，用途 十分广泛，是一种很有发展前途的电机新品种。 早在1 8 4 0 年，惠斯登( w h e a t s t o n e ) 就开始提出并试制了略具雏形的直线 电动机，但没有成功【5 】。从那时至今，直线电机一直在不断的发展和完善中， 先后经历了探索试验、开发应用和实用商品化三个阶段。 近5 0 年来，直线电机发展很快。1 9 4 5 年美国的w e s t i n g h o u s e 电气公司首 先研制成功名为“e l e c t r u p u l t ”的电力牵引飞机弹射器。它以7 4 0 0 k w 的直线电 动机为动力，成功地用4 1 s 时间将一架重4 5 0 0 k g 的喷气式飞机在1 0 2 m 行程内 由静止加速到1 8 5 k m h 的速度。它的试验成功，使直线电动机的优点受到重视。 继此又出现多项成果。例如，1 9 5 2 年美国研制成核工业用的利用直线感应电动 机原理的抽取液态钠、钾的电磁泵；1 9 5 4 年英国皇家飞机制造公司利用双边扁 平型直流直线电机制造成了发射导弹的装置。但是这个时期直线电机始终没有 能够得到真正的应用。1 9 5 6 年英国的l a i t h w a i t e 等发表了有关直线电动机理论 的论文；1 9 6 2 年英国展示了用直线电动机传动的列车模型( 轨道长9 1 4 m ) ；日 本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置；1 9 6 5 年前苏联出版液 态金属电磁输送一书；美国s k i n e e rp r e c i 公司出售名为p o l y n o i d 的圆筒形直 西北工业大学硕i ：论文 线电动机，直线电动机正式以商品的形式进入市场。 与此同时，直线电机理论也取得了很大的发展，有关的文献和书刊不断出 版。1 9 6 6 年英国出版l a i t h w a i t e 的著作“特殊用途感应电动机”，为直线感应电 动机理论奠定了基础。此后，直线电动机进入了蓬勃发展阶段。许多国家为了 把直线电动机用作高速地面运输的推进装置，开展了大量研究工作。速度为 5 0 0 k m h 左右的高速列车的技术问题相继获得解决。与此同时，各类直线电动 机的工业应用也得到迅速发展，制成了不少具有实用价值的装置，如直线电动 机传动的电动门、电磁搅拌器、传送带、自动绘图仪、计算机磁盘定位机构等。 低速直线电动机在不少国家已有系列产品可供选用。 近年来，日本正在研究直线电动机传动的高速垂直运输装置，拟用于超高 层建筑的高速电梯。同时，直线电动机传动的三维空间运输系统获得成功，电 动机能水平和垂直运动，并能转弯，已用于医院中安放药品、试样、材料的盒 箱的空间运输。使用直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁 推进船的研究正在进行之中。此外，直线电动机在传动小车、搬运钢管、搬运 钢板、传送器件等方面已有成熟的应用。 我国自7 0 年代以来，直线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、太原工业大学等高等学校以及一些 科研单位和厂矿企业，在直线电动机的理论研究和工业应用中取得了许多成果。 在直线电动机应用方面成果丰富，获得推广并取得较大效益的有：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 3 。目前已经开始磁悬浮列车研究。 由此可见，直线电机在国内外发展非常之迅速。这是由直线电机的诸多优 点所决定的，下面简述直线电机的优越性。 1 1 2 直线电机的优越性 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， 直线电机则可克服这些缺点，它所具有的突出优势，已越来越引起人们的重视， 第l 章绪论 由直线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 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，例如直线电机驱动的 磁悬浮列车就是如此； 4 )可在某些特殊场合使用。 由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封 成整体，所以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用，可在 有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，亦可在几千度的高温下或几百度的低 温f 使用 4 ； 5 ) 直线电机散热面积大，容易冷却。 由于直线电机结构简单，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； 6 ) 装配灵活性大，通常可将电机和其它机件合成一体 4 】。 由上可见，由直线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，任何事物都不可能十全十美的，直线电机也不例外， 它也存在着一些不足之处，主要表现在以下两个方面： 1 ) 与同容量旋转电机相比，直线电机的效率和功率因素要低，尤其在低速时比 较明显； 2 ) 直线电机特别是直线感应电机的起动推力受电源电压影响较大，故需采取有 关措旌保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影晌。 两北_ t 业大学硕士论文 总体来说，直线电机在一些合适的赢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 3 直线电机的分类与特点 直线电机是直接产生直线运动的电动机。可以看成是从旋转电动机演化而 来的。设想把旋转电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电 动机。旋转电动机的定子和转子，在直线电动机中称为初级和次级。 直线电机的分类有多种型式，原则【二对于每- , e e 旋转电机都有其相应的直 线电机。 1 ) 直线电机按其结构形式主要可分为扁平型、圆筒型、圆弧型和圆盘型四种。 它可以采用交流电源，直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。目前应 用最广泛的是扁平型直线电私t p l 。 2 ) 直线电机按其功能用途主要可分为力电机、功电机和能电机。 3 ) 直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直线电动机和直线驱动器。 直线电机主要是指直线电动机，它包括交流直线感应电动机( l i n e a r i n d u c t i o nm o t o r s - - l i m ) 、交流直线同步电动机( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s - - l s m ) 、直线宦流电动机( l i n e a rd cm o t o r s - - l d m 和直线步进( 脉冲) 电动机 ( l i n e a rs t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s - - l p m ) 、混合式直线电动机( l i n e a r h y b r i dm o t o r s l h m l 等。 在这些直线电机中，直线同步电动机由于成本较高，目前在工业中应用不 多，但它的效率高，适宜于作为高速的水平或垂直运输的推进装置。直线直流 电动机当采用高性能永磁体时可以做得惯性小、推力大，在小行程场合有较多 的应用。直线感应电动机与步进式直线电动机在工业用直线电机中占主导地位。 而感应式直线电动机的控制性能和效率还不近人意，在输出同样推力的情况下， 直线步进电动机和直线感应电动机相比，其效率远大于直线感应电动机，有时 视在功率要差一倍以上。 1 1 4 直线直流电动机的选型 一般采用直流供电的直线电动机分为：直流直线伺服电动机( d cl i n e a r s e r w ) m o t o r ) 、直线步进电动机( l i n e a rs t e p p i n gm o t o r ) 、压电直线电动瑚l 第1 章绪论 ( p i e z o e l e c t r i cl i n e a rm o t o r ) 、开关磁阻直线电动机( s w i t c h e dr e l u c t a n c el i n e a r m o t o r ) 等几大类，下面分析每种电机的特点及适用场合。 1 ) 压电式直线电机 压电式直线电机的工作原理利用压电材料的逆压电效应直接将电能变成机 械能。而在常规的电机都是基于法拉第电磁原理，即根据载流导体在磁场中受 到电动力的作用原理，将电能转换成机械能。一般压电直线电机步距小、精度 高，但推力不大，行程较短。主要适合光学聚焦、激光干涉仪等计量系统中。 对本项目来说，该种电机不适合飞机应急放油阀使用。 2 ) 开关磁阻直线电机 开关磁阻式直线电机需要位置检测器才能实现电机的换向控制，虽具有串 激电机的特性，但其低速平稳性差。所以国外一些国家已将其用于中小功率运 输车辆的驱动中，尤其适合于磁悬浮列车的牵引和驱动，但不适宜于本项目。 3 ) 直流直线伺服电机 直流直线伺服电机像旋转式直流电动机一样，一般必须有电刷和换向器。该 种电机的明显优点是：运行效率高，无交流直线电机功率因数低的问题，控制 方便、灵活。其闭环控制系统可将输入电信号变换成位移或速度输出，调速平 滑性好，是本项目可供选择的一种方案。但其致命缺点是运行行程短，不适宜 航空大行程直线作动系统应用。另外，该电机的机械换向也是一个主要的弊端。 为了克服上述弊端，可以采用较先进的无刷直流直线电动机，用电子换向代 替机械换向。该电机是一种机电一体化系统，克服了有刷直流直线伺服电机的 主要缺点。理论上说，无刷直流直线电动机的行程可以无限长，适宜航空大行 程直线作动系统应用。但无刷直流直线电动机的缺点是需要动子位置传感器来 实现电机的电子换向，电机引出线多、控制复杂，高精度控制还需要直线位移 传感器。由于结构的影响，其低速力矩脉动较大。 为了利用无刷直流直线电动机行程大、换向方便，无电磁噪声、换向火花、 电磁干扰、机械磨损的优点，而又可克服其缺点，本项目拟引入直流直线步进 电动机。 4 ) 直线步进电机 直线步进电机是一种将输入的电脉冲信号转换成直线位移的机电元件，当 西北工业大学硕士论文 这种电机外加一个电脉冲，电机就会直线地运动一步，故称直线步进电机。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，拟制噪声；细分技术可使电机运行具有平稳性。由于应急放油 阀的驱动力不大，所以采用直线直流步进电动机正好避开步进电机出力小的缺 点，充分利用了步进电机易于加工，步进运动无需直线位移传感器便可进行精 确控制的特点。 直线步进电机按其电磁推力产生的原理上可以分为变磁阻式和混合式两种 形式。其中变磁阻式直线步进电机原理直观，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，由于电机始终处于开关运行状态，其耗电省，发热少。但 该种电机不宜微步控制，推力仅靠磁路不对称提供，数值偏小，力矩波动大。 混合式直线直流步进电机( h y b r i dd cl i n e a rs t e p p jn gm o t o r ，以下简称 i d c l s m ) 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，易实现微步控制。细分电路简单，在位 置精度和分辨率要求较高的场合具有很大的优点。在下一章中将详细论述二者 的结构、工作原理以及各自的特点。 5 ) 比较分析 根据本项目的技术要求，综合以上直流直线电动机的几种方案，本项目最 好采用两相混合式直流直线步进电动机( h d c l s m ) ，其原由如下： a ) 混合式直线步进电动机具有行程长、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。 b ) 混合式直线步进电动机不但直流供电，而且系统电路简单，可开环控制， 也可闭环控制。 c ) 混合式直线步进电动机加工工艺简单，电机的引出线少，系统可靠性商。 d ) 混合式直线步进电动机控制系统对控制参数不敏感，其控制一致性好。 。) 混合式直线步进电动机可采用细分控制技术，从而实现控制系统的高平 稳性和推力波动的减小。 第1 章绪论 1 2 系统概述 1 2 1 系统研究的目的与意义 本课题来源于航空“十五”支撑基金项目新型航空用直线直流电动机 驱动控制系统。目前军机的应急放油阀通常使用传统的直流电动机驱动，即有 刷直流电动机与蜗轮蜗杆机构，或者旋转丝杠结构。这种结构体制势必导致直 线运动机构的体积庞大而笨重，其自动关闭可靠性和维修性差、灵敏度也不高， 因而满足不了当前高技术军事的需要。 为了进一步提高军用飞机的战术与战斗能力，迫切要求在“十五”期间， 研制出具有可靠性高、维修性好、体积小、重量轻的新型航空用直线直流电动 机，而且该驱动电机必须具有高精度、高频响、高灵敏度，才能满足新型战机 的装备需要。 新型航空用直线直流电动机的研制，不但从驱动体制上要采用全新概念， 技术上上一个台阶，而且必须要达到军机所要求的各项性能指标。新型航空用 直线直流电动机可完全用于替代飞机上使用的应急放油阀驱动电机。另外，该 电机还可用于一些小功率直线运动执行机构上，所以具有较为广泛的应用前景。 1 2 2 主要研究内容和关键技术 该应急放油阀用新型航空直线直流电动机，主要研究内容如下： 1 )新型航空用直线直流电动机的选型、工作机理及理论计算研究 2 )新型航空用赢线直流电动机的工程样机设计、加工、制造以及装配技术 3 )减小推力波动的平稳性运行技术 4 )行程末端冲击和噪声消除技术 5 ) 样机的测试技术、实验方法研究 6 )系统可靠性技术探索 作为高度机电一体化的新型航空直线直流电动机，在航空工业领域是首次 应用型研究，该课题本着航空的具体要求和特点，对其关键技术必须进行深入 细致地研究。系统的可靠性、精度、频响、灵敏度、体积与重量等将是本电机 西北工业大学硕士论文 性能好坏的直接反映。 本课题的研究拟采用直流直线步进电动机，针对真流直线步进电动机控制 器，研究的主要关键技术如下： 1 )电机工作原理、控制方法与理论计算 2 )电机控制电路精确设计技术 3 )系统平稳性细分控制和p w m 恒流控制策略 4 )彳亍程末端冲击和嗓声的消除技术 1 2 3 系统主要技术指标 由于研制的直线电机是用于替代目前军机的应急放油阀驱动电机，基于其 使用场合的特殊性，所以对该驱动电机有一些特殊要求，比如前面提到的：体 积小、重量轻、维修性好、可靠性高等，其具体技术指标如下： 额定电压： 2 8 vd c 额定电流：1 5 a 输出推力：6 5 0 9 行程： 14 ，5 + 0 5m m 速度：1 1 3 3 m m s 电机重量：i 2 k g 具有正反向控制功能 为了验证理论和方法，控制器中还设计有以f 功能： 具有调频调速、预制步运行、细分运行、电流调节等功能； 具有过压、过流、欠压等保护功能： 实时显示电机转速、预制步数、细分数、及保护状态等。 新型航空用直线直流电动机的研制，必须要求达到以上军机所要求的各项 性能指标。新型航空用直线直流电动机可完全用于替代目前飞机上使用的应急 放油阀驱动电机，另外，该电机还可用于一些小功率直线运动的电动机构上， 所以具有较为广泛的应用前景。 第l 章绪论 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工作： 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。 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 ) 电机正反转测试： 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： 西北工业大学硕士论文 第2 章直线步进电动机的结构和工作原理 据前一章的论述可知，本系统电机选用直线直流步进电动机。在本章中， 将重点论述变磁阻式直线步进电动机和混合式直线步进电动机的结构、工作原 理以及控制技术方面的问题，对两种直线步进电动机进行比较，最终得出混合 式直线步进电动机将更适合于本系统。 2 1 直线步迸电动机概述 直线步进电动机是一种将电脉冲信号直接转换成微步直线运动的驱动装 置，给它一个电脉冲，它就会在空间按照指令给定的步距相应地走一步，并准 确地锁定在所希望的位置上。因为其运动形式是直线步进的，因而称为直线步 进电动机。 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，而足 脉冲电流，所以有人称它为直线脉冲电动机。输入直线步进电动机的电流脉冲 信号，可由数字控制器或微处理器来提供。 为满足精密直线驱动技术的要求，2 0 多年来，直线步进电动机在国内外得 到了较大的发展。直线步进电动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, d i n 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。 尽管直线步进电动机的设计方案很多，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，直线步进电动机大致可归纳为两大类型：一 类是变磁阻式( v a r i a b l er e l u c t a n c e v r ) 直线步进电动机；另一类是混合式 直线步进电动机，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。 0 第2 章直线步进电动机的结构和工作原理 2 2 变磁阻式直线步进电动机 2 2 1 变磁阻式直线步进电动机的工作原理 变磁阻式直线步进电动机内部的磁场力，根据通入各相绕组的脉冲电流产 生。这种步进电动机一般有三相绕组，当某一相或两相绕组有脉冲电流通过时， 这些相绕组磁势产生的磁通，总是往磁阻最小的路径跑。根据磁力线具有力图 缩短磁通路径以减小磁阻增大磁导的本质，电机定子、动子之间将存在着一种 使磁通通路磁阻尽量变小的倾向磁力，拉着电机动子到达该磁通对应的磁路磁 阻最小的位置，因而使电机动子产生步进运动。三相变磁阻式直线步进电动机 各相绕组的联接如图2 1 所示。 线圈 定干 图2 1三相变磁阻式直线步进电动机的原理结构 两个e 形铁芯组成了个可沿轴向移动的电枢( 动子) 。定子和动子上都 开有齿槽。动子和定子齿间的关系如图2 , 2 所示。设定予的齿距为f ，动子上三 个铁心柱之间的距离称为动子的极距p ，它和定子齿距f 。之间的关系必须满足 下列关系式： p = ( m + ；) q ( 2 1 ) 式中：m 任意整数 尸动子极距 f 定子齿距 当a 相绕组通入脉冲电流，而其他相绕组电流为零时，a 相铁心柱中的磁 通最大，所受的磁力最大，因此电机动子的位置主要由a 相的磁极齿对齐定孑 西北工业大学硕士论文 齿的位置来决定。因为此时a 相磁通对应的磁路磁阻最小。如果三相绕组按 a b c a 的顺序轮流通电励磁时，则动子就以f 3 的步距作步进移动。所谓步 距，就是每通一次电脉冲，动子在空间移动的距离。每改变一次通电状态，动 子就移动一步，俗称运动一拍。如果运动m 拍后，动子正好移动一个齿距f 。， 则该步进电动机的步距分辨率便为r = f ，m 。当三相步进电动机以三相三拍制 运行时，我们就说它获得z - 3 的分辨率。若采取a a b b b c c c a a 的方式顺 序通电，此时该电机就可以获得f 6 的分辨率。可见提高位移分辨率的办法有： ( 1 ) 减小齿距f 。( 2 ) 增加运行拍数或增加相数。( 3 ) 采用步距细分电路。总 之，就是要设法提供一个齿距范围的步数( 拍数) 。 田= ! 幽； 膏i 万： 叶1 广l 吼二_ j 1 遂学 i f 彳一 图22 动子与定子间关系 2 2 2 变磁阻式直线步进电动机的控制 锅 第2 章直线步进电动机的结构和工作原理 有自己独立的驱动电路，它是由低功率的相控制信号来控制的。这个控制信号 可能需要经过开关放大器，才能达到所需要的功率水平。 2 。3 混合式直线步进电动机 2 3 1 混合式直线步进电动机的结构和工作原理 1 )结构特点 混合式直线步进电动机内部的磁场推力，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。在它内部的固定磁场，通 常是由永久磁铁提供，如图2 4 所示。当然，也可以用通有固定直流电流的励磁 线圈来产生。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，因而带动步进电动机动子产生直线步进运动。 永久磁铁 轭铁 图2 4 两相平饭型混合式直线步进电动机 图2 4 是一台两相平板型混合式直线步进电动机的原理结构。定子是由开 有等距齿槽的叠片铁心组成，齿距( 或齿槽) 为f 。动子是由永久磁铁再加上“u ” 形电磁铁e m a 和e m b 组成。电磁铁e m a 具有磁极l 和2 ；电磁铁e m b 具有 磁极3 和4 。每个极上一般都有几个平行齿( 图2 4 所示每极上有两个齿) 。其 齿距要求和定子的齿距相等均为f ，。电磁铁的铁心是由硅钢片叠成。各磁极中 心线之间的距离称为极距p 。磁极1 和磁极2 之间的极距只一，以及磁极3 和磁 极4 之间的极距只。均可由下式表示，即 两北t 业大学硕上论文 鼻一2 一只一；= ( m q - 1 _ ) z ( 2 2 ) 贝u s 。：( m + i 1 ) r ，一6 ， ( 2 3 ) 式中m 任意可选的正整数； 6 磁极宽度 f 齿距 鼻一：磁极1 和磁极2 之间的极距 只一。磁极3 和磁极4 之间的极距 这样就可以保证极1 的齿和定子齿对齐时，极2 的齿中心i f 好对着定子槽 中心。而磁极2 和磁极3 之间的极距只一，就必须满足下式，即 b = ( k + i 1 ) f ，一6 ， ( 2 4 ) 则 g 。= ( k 4 - 去) 印 ( 2 剐 式中k 任意可选的正整数。 6 ，磁极宽度 7 t 齿距 只一，j 磁极2 和磁极3 之间的极距 这样就可以保证当极1 齿中心正对着定子齿中心时，极3 和极4 的齿中心 分别正好都处在定予齿中心和槽中心之间，为电机下一步的步进运动做好位置 准备工作。 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丸2 。这里丸是永久磁通提供的总磁通。各极下 气隙中的磁通方向如图2 5 a 中虚线所示，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。 2 )工作原理 a )单相轮流通电励磁时的情况 第2 章直线步进电动机的结构和工作原理 ( b ) 定手 ；n 毓门； 葡、 图2 5 混合式商线步进电动机单相轮流通电励磁时的工作原理 ( 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 当电磁铁e m a 线圈中通入正向电流。励磁时，在图中用和固来表示， 则由该电流励磁产生的磁通路径如图2 5 a 中实线所示。此时极l 下的磁通为 破= 丸2 + 九 ( 2 6 ) 设 丸z 丸2 ( 2 7 ) 则 哦= 丸2 + 妒。= 丸 ( 2 8 ) 而极2 下的磁通为： 欢z 丸2 - 九踟 ( 2 - 9 ) 极3 和极4 下的磁通大致仍为丸2 。显然，此时极1 所受的磁力最大，极2 所 15 西北工业人学硕，l 论文 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l 所受的磁力决定。最后，极】必定运动到和定子齿对齐为止，如图2 5 a 所示( 极 1 对齐定子齿1 ) 。因为只有在齿对齿的情况下，九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 ，5 a 过 渡到图2 5 b 时，动子已经向右移动了1 4 齿距，即r 4 。如果接下去通电方式 变成图2 5 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6 ；此时动子又向右移动了z - 4 距离。同样可以分析图2 5 d 和图 2 5 e 的情况我们可得到如下结论：当单相通电方式按图 2 5 ( e ) 一( d ) 一( c ) 一( b ) 一( e ) 顺序进行，则动子就会以t 4 步距向左移动。通电 方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f + 。各相线圈通电的规律如图2 6 所示。 6 矗 o j 日 。 通电顺序 i ih ：1 h 矗 h ：h ： - t l _ j t 1 l - j 矗 。( 1 ) 。i ，( 2 ) 。i ( 3 ) j ( 4 ) 、i 。( 1 ) 、i ，( 2 ) i ，( 3 ) 。i 。( 4 ) 、： 图2 6 单相轮流通电时各相绕组的电流波形 b ) 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 5 b 过渡到图2 5 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， 这就因为这时极l 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 7 中实线所示波形。 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 ，7 中虚 1 6 第2 章直线步进电动机的结构和工作原理 线所示) ，则在o g 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 下的磁通由九2 逐渐增大到它的最大值屯，而极3 下的磁通逐渐由 。2 下降到零。同时极1 的磁通随着i 。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f ，。 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f 4 。如果a 相电流由最大值下降下来的同时，b 相电流由零开始上 升，当它们地值达到相等时，则动予对应地正好移过f 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 8 所示， 则每个脉冲的宽度为9 0 ( 电角度) 。 ， r fr 一 f _ 已- 二l 二li j 矗 。1 _ p ，。 、- _ 一 ot 刁声雨 l ：l 一 矗 一。， 图2 7 曲相劂时通电时的电流波形 如果当r _ a t = o 时各相电流为 l 爿。= ，。c o s 0 。= = ， 。 ( 2 1 0 ) i 口2 ，m s i n 0 。_ 0 ( 2 1 1 ) 设此时动子位置在x = 0 处。当0 9 = 9 。时，两相电流为 i 42 = 。c o s 9 。= = ，。c o s 9 。 ( 2 一1 2 ) 2 i r 。s i n 9 0 = ，。s i n 9 。 ( 2 1 3 ) 则步进电动机就会相对于原来地位置移动f 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l o 倍。 l7 西北工业大学硕：j ：论文 图28 用脉冲群来代替正、余弦波 上述把一个周期的正、余弦电流细分成1 0 个等宽不等幅的脉冲群的电路， 称为细分电路。利用微机可以很方便地完成比上述精细得多的细分任务。目前 对于实际齿距为1 m m 的步进电动机，通过微机细分的方法，已经实现o 0 0 1 i y i m 微步的分辨率，这就显示出用微机控制两相同时通电励磁方式的优越性。 2 3 2 控制技术 从混合式直线步进电动机的工作原理得知，混合式直线步进电动机需要一一 个双极性控制电源，适合于混合式直线步进电动机的晶体管桥式双极性驱动电 路的一个典型实例如图2 。9 所示。 根据所需要的电流极性，成对的开关三级管对相绕组的正向励磁，就要接 通三极管v 1 和v 4 ，以便电流路径由电源通过三极管v l 到相绕组及限流电阻r ， 然后经过三极管v 4 回到电源。在相反的情况下，接通三极管v 2 和v 3 ，以便 电流朝相绕组相反的方向流动。在桥中的四个开关三极管需要独立的耩极驱动 器来放大这两种( 正的和负的) 相控制信号，这信号要通过光电隔离管来传递。 图2 9 中四个二极管的桥，它们相反地著联在开关三极管上，以提供续流回路， 图2 9 中虚线说明在打开三极管v 1 和v 4 后，瞬时续流经过二极管v 6 和v 7 的路径情况。这续流路径包括直流电源在内，因此某些储存在相绕组电感中的 能量，在打开开关时，被返回到电源。由这引起改善整个系统效率的效果表明 双极性桥式驱动电路胜过单极性驱动。在双极性驱动电路中，续流比单极性驱 动电路衰减更迅速，因为直流电源反对它们，因此，在双极性电路中不需要续 流电阻。 第2 章直线步进电动机的结构和工作原理 图2 9 一相三极管桥式双极性驱动电路 2 4 两种类型直线步进电动机的比较和应用 在第一章直线直流电动机的选型设计中，对变磁阻式直线步进电动机和混 合式直线步进电动机做了简单对比，以下洋细叙述二者的不同和适用场合。 变磁阻式直线步进电动机原理直观，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，由于电机始终处于开关运行状态，耗电省，发热少。但该电机 不宜微步控制，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步进电动机，例如美国 i b m 公司开发的用变磁阻式直线步进电动机驱动的高速打印头等。 混合式直流直线步进电动机( h y b r i dd c l i n e a rs t e p p i n gm o t o r ，以下简称 h d c l s m ) 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， 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步进电机的大。可见，在体积重量要求 严格的航空条件下，以及在小步距、大推力、高精度的应用场合中，混合式直 线步进电动机是必需的选择。特别是在稀土永磁混合式直线步进电动机不加控 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，更进一步明确了本项目宜采用混合式直线直流步进 电动机，而且是两相混合式直流直线步进电动机。 9 西北工业大学硕上论文 第3 章系统总体方案设计综述 在这一章里，主要论述航空用直线直流步进电动机驱动控制系统总体方案 的设计，总体方案设计主要包括系统控制电机的控制器、硬件电路方案设计、 单片机软件方案设计等。进行方案设计的主要依据是已经提出的系统的性能指 标要求和系统的应用方向。 3 1 系统硬件设计方案 3 1 1 系统总体框图 制簦 l 数字u 电路 ( 输入ji 细分 显示 韭 片 机 细分电路 篁攫h 鍪虮芏 警莲笔h 蠢蛊h 玺菱h 电源 路 j【电路j( 8 ”jif 一蓬磊h 鬻嚣 币蕊孙捆 耋禁j 叫蜇票1f 熟 f 铿釜 预置步i 直线步进电机 设置j 图3 1 系统总体框图 本系统总体框图如图3 1 所示，系统采用以单片机为核心控制单元的数字 控制策略，采用了两种控制方案： 方案一一。其控制电路以a t 8 9 c 5 1 单片机作为核心控制单元，两其驱动电路 部分采用两相混合式步进电机驱动专用集成芯片a 3 9 5 5 s b 驱动步进电机，称为 采用集成芯片的直线步迸电机驱动控制系统； 方案二，其控制电路以8 0 c 3 1 单片机作为核心控制单元，而其驱动电路部 分采用i r 2 1 1 0 、功率m o s f e t 等分立元件完成对步进电机的驱动，该部分实现 的功能与a 3 9 5 5 s b 基本相同，称为采用分立元件的直线步进电机驱动控制系统。 这两种方案的控制思想是一样的，实现的功能也是一样的。f 面给出系统 黪一、1噎丽赫鬻1 第3 章系统总体方案设计综述 的控制思想，然后分别给出每种方案的殴计。 3 1 2 系统控制思想 系统采用单片机作为核心控制单元，并采用变频调速控制方式。其方法是 通过改变控制脉冲信号的频率，并通过一定规律的脉冲分配，控制相应绕组按 一定比例电压和规律顺序通电，实现绕组的恒流加载。从而可实现直线步进电 动机一步一步的步进运动。当该控制脉冲连续变化时，就可实现电机的连续调 速，其速度与控制脉冲频率成正比。由于该电机运行速度要求大于1 1 3 3 m