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各种电机的控制方式 主要内容 无刷直流电机控制 2 步进电机的工作原理 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向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 步进电机可以作为一种控制用的特种电机 利用其没有积累误差的特点 广泛应用于各种开环控制 步进电机的分类 步进电机包括反应式步进电机 VR 反应式步进电机一般为三相 可实现大转矩输出 步进角一般为1 5度 但噪声和振动都很大 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成 定子上有多相励磁绕组 利用磁导的变化产生转矩 永磁式步进电机 PM 混合式步进电机 HB 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点 它又分为两相和五相 两相步进角一般为1 8度 而五相步进角一般为0 72度 单相式步进电机等 步进电机的一些基本参数 电机固有步距角步进电机的相数保持转矩 HOLDINGTORQUE 起动转矩DETENTTORQUE 电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号 电机所转动的角度 电机出厂时给出了一个步距角的值 如86BYG250A型电机给出的值为0 9 1 8 表示半步工作时为0 9 整步工作时为1 8 这个步距角可以称之为 电机固有步距角 它不一定是电机实际工作时的真正步距角 真正的步距角和驱动器有关 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数 目前常用的有二相 三相 四相 五相步进电机 电机相数不同 其步距角也不同 一般二相电机的步距角为0 9 1 8 三相的为0 75 1 5 五相的为0 36 0 72 在没有细分驱动器时 用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求 如果使用细分驱动器 则 相数 将变得没有意义 用户只需在驱动器上改变细分数 就可以改变步距角 保持转矩 HOLDINGTORQUE 是指步进电机通电但没有转动时 定子锁住转子的力矩 它是步进电机最重要的参数之一 通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩 由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减 输出功率也随速度的增大而变化 所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一 比如 当人们说2N m的步进电机 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N m的步进电机 起动转矩DETENTTORQUE 是指步进电机没有通电的情况下 定子锁住转子的力矩 DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式 容易使大家产生误解 由于反应式步进电机的转子不是永磁材料 所以它没有DETENTTORQUE 步进电机的一些特点 一般步进电机的精度为步进角的3 5 且不累积 步进电机外表允许的最高温度 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 步进电机低速时可以正常运转 但若高于一定速度就无法启动 并伴有啸叫声 4线步进电机控制 单片机中的程序 defineucharunsignedchar defineuintunsignedint includeucharcnt 0 voidmain void TMOD 0 x21 T0工作在方式1 T1工作在方式2自动重装TL0 0 x00 EA 1 ET0 1 TR0 1 while 1 产生脉冲波形voidTimer0 void interrupt1using1 TH0 0 x00 TL0 0 x00 switch cnt case0 P2 0 x03 break case1 P2 0 x06 break case2 P2 0 x0c break case3 P2 0 x09 break default break cnt if cnt 4 cnt 0 无刷直流电机 BLDCM 的优点 优秀的线形机械特性较宽的调速范围大的启动转矩控制方法较简单利用电子换向替代了机械换向 没有磨损 火花 噪声大大减小 无刷直流电机三相全控电路 对于全桥式功率驱动 其常见导通方式有两两导通方式 120 导通方式 和三三导通方式 180 导通方式 两两导通方式 两两导通方式是指每一时刻电机都有两相导通 第三相悬空 各相的导通顺序与时间由位置检测电路获得的转子信号决定 在三相桥式电路工作时 任意时刻只允许两个管子导通 每个管子导通120 电角度 每次一个管子导通 逆变桥就进行一次换相 换相一次的电角度为60 每个周期换相6次 每经过一次换相 合成转矩的方向就转过60 电角度 一个周期能转矩要经过六次方向变换 使得转矩波动比三相半桥式驱动电路要平缓得多 由图所示 功率器件按照 的顺序进行导通 三三导通方式是指每一瞬间逆变桥均有三只功率管器件同时导通 同两两导通方式相比 也是每隔1 6周期 60 电角度 换相一次 其硬件原理完全相同 只是功率管器件的导通次序不同 每一功率管器件导通180 电角度 三三导通方式可以更进一步提高绕组的利用率 减少转矩波动 但值得注意的是三三导通方式在换相时刻容易导致同一桥的上 下桥臂同时导通 损坏功率管 如图所示 功率器件按照 的顺序导通 获得电机位置或速度的实时信息的方法 依靠霍耳元件或者码盘来获得位置 速度信号缺点 增加了器件成本 在无法加装传感器的时候无效无传感器 Sensorless 方法反电动势过零检测法三次谐波分析法Kalman预测法缺点 局限于反电动势为梯形的BLDCM 而且有的需要加装特别的外部电路 在一些场合下无法实现 有的算法复杂 会造成较大的实时误差 也不是很实用 七段式的空间矢量法 SVPWM SpaceVectorPWM 滤波 在采样的过程中往往会引入较多的噪声 需要进行滤波存在扇区边界切换问题在旋转矢量跨越边界的时候 由于某一基本矢量作用时间太短会导致采样无法完成 这个时候 可以通过限制作用时间最小值来保证采样过程正常进行 但这样必然会使生成的正弦波发生畸变 无位置 速度传感器下电机控制 启动过程 由于整个系统没有传感器以获得电机的实际位置 如果从任意位置启动 可能会造成电机反转甚至启动完全失败 因此需要对电机转子位置进行初始化 即把后面控制算法中涉及到的转子角度的初始值清零 我们采用的初始化方法是生成一个固定的PWM脉冲序列 该序列的特点是只作用于在某一相 最后将电机锁定于某一磁极 达到了初始化的目的 正常运转 目前我们采用TI公司的TMS320LF2407A作为控制的DSP 该DSP本身具备PWM控制寄存器 通过较简单的程序就能完成前面所述的七段法SVPWM波的输出 编码盘测电机转速 位置 电机速度与位置检测方法 T法测量电机速度M法测速M T法测速 T法测量电机速度 M法测速 M T法测速 一 课题背景及研究意义 国内执行机构暴露的缺点 1 体积大 控制精度低 可靠性不高2 易受外界环境干扰 抗扰性差3 引进国外技术 成本造价高智能电动执行机构1 智能算法2 配以先进的控制器3 采用无刷直流电机驱动 电动执行机构 二 国内外研究现状 上海研究所低端产品大连仪表厂模拟量输入鞍山阀门厂可靠性低上海万迅精度不高 无刷直流电机 1 有位置传感器优点 电路简单 较成熟 的工业级别缺点 抗扰性 可靠性 应的用范围 2 无位置传感器优点 可靠性 抗扰性 体的积变小缺点 转子位置信号 电机的功率不大 Rockwell智能化SIEMENS一体化结构SIPOS变频控制ABB数字化处理 a 主控板和驱动板 b 滚珠丝杠及齿轮箱 c 手动柄 d 电机SIPOS公司SIPOS5Flash智能执行机构示意图 三 主要研究工作 算法研究1 滑模变结构图1 1切换面上三种点的特性示意图A通常点 B起始点 C终止点 1 滑动模态存在2 可达性3 稳定性 变结构控制 系统滑模面控制函数