专利名称：混合式步进电机直接自控制方法
技术领域：
本发明涉及一种混合式步进电机直接自控制方法。
背景技术：
混合式步进电机转子上采用永磁体励磁，电机工作时具有输出转矩大、效率高等 优点，广泛应用于数控机床、雕刻机、绣花机、医疗器械等要求精确位置控制场合。目前混合 式步进电机控制策略主要有两种开环微步控制和闭环矢量控制。开环微步控制采用绕组 电流闭环结构，电流幅值恒定，相位受外部脉冲控制微步增加，从而在定子气隙中产生一些 列幅值恒定、相位离散的电流矢量，驱动转子微步旋转。无论负载轻重，电流幅值总是控制 在电机额定峰值水平，这样在电机轻载时绕组中流过很大的无功电流，产生很大的绕组铜 损耗，很大的铁心铁损耗，很大的功率管开关损耗。另外，当负载较重或加速度较大时，开环 微步控制会出现失步现象，限制了步进电机运行速度范围。矢量控制采用转子磁场定向方 法，试图将定子电流解耦成转矩分量和激磁分量，采用转子位置传感器获得定向磁场位置， 且忽略了磁路的非线性。而实际混合式步进电机磁路处于高饱和状态，定向坐标系方向依 赖磁路饱和程度，所以无法实现定子电流精确解耦，这就导致矢量控制达不到预期的快速 力矩控制目的。而且，矢量控制策略需要复杂的坐标旋转变换，算法复杂，需要成本较高的 高性能中央处理器完成算法运算。
发明内容
鉴于上述技术的不足，本发明的目的是提供一种混合式步进电机直接自控制方 法，以求提高步进电机动态性能，以极其简单的结构实现混合式步进电机位置或速度的闭 环控制。本发明是这样实现的一种混合式步进电机直接自控制方法，其特征在于在每 一个控制周期中，根据连于主电路的母线电压采集电路及逆变器中功率管开关状态估计得 瞬时绕组端电压以及连于主电路的绕组电流采集电路检测得到瞬时绕组电流，获得绕组电 流及绕组端电压后，根据混合式步进电机的瞬态数学模型估计出瞬时定子磁链和瞬时电磁 转矩；由转子位置角或速度闭环调节器输出给定转矩；将给定转矩和瞬时转矩进行比较， 给定磁链和瞬时磁链进行比较，由比较结果，直接选择逆变器的五个空间电压矢量当中最 优的一个作用于混合式步进电机，通过插入零电压矢量来调节定子磁链矢量瞬时转速。本发明与现有的控制相比较，具有如下的明显优点1)由于电磁转矩具有自调节 功能，转子不会出现失步的危险，从而提高了电机运行的可靠性；2)没有坐标的旋转变换， 去掉了电流闭环结构，驱动系统控制算法得到了极大简化，采用低成本的中央控制器即可 满足控制算法的需要，从而降低了驱动系统硬件成本；3)直接实现转矩闭环控制，驱动系统 动态响应优越；4)控制算法中不需要电机电感参数，转矩动态响应不受电机磁路饱和的影 响；5)改善了电机弱磁运行性能，扩大电机的高速运行范围。
图1是混合式步进电机的直接自控制系统的组成框图。图2是坐标系、逆变器输出电压矢量与定子磁链轨迹示意图。图3是混合式步进电机的直接自控制系统框图。图4是实现定子磁链自控制开关信号波形图。图2中符号名称M0 ^M4——空间电压矢量，括号内数字从前至后依次表示αβ相 绕组端电压极性，+1表示正向电压，-1表示反向电压；οφ — αβ两相静止坐标系，α轴与 α相绕组轴线同向；氏 ——两相静止坐标系，轴超前α轴45°; S1 Si—定子磁 链矢量所在空间均分的四个区段；h——定子磁链矢量；I——转子磁链矢量，其幅值因永 磁体激磁而恒定——定子磁链给定值，其值等于正方形磁链轨迹中点到边的垂直距离； Q,.—定、转子磁链矢量夹角，越大，电磁转矩越大。
图3中符号名称〗 、、——αβ绕组电流.,U9—αβ绕组电压；ψκ、ψρ ——αβ绕组磁链 ’、、 ——οφ绕组感应电动势；Te —估计出的瞬时电磁转矩；Τ； ——电磁转矩给定 ’ Tq —转矩开关变量；式——绕组电阻，从电机铭牌上可以获得；S ——开关；Udc——逆变器中直流母线电压；J——积分符号。图4中符号名称ΨΡλ、ψρ,—定子磁链矢量在|\βρ轴上的投影值；、^
——ΨρΒ、ψΡρ两个磁链开关变量，取值为+1或-1 ； Sa、Sp —逆变器输出电压状态变量， 输出正电压时为+1，输出负电压时为-1。
具体实施例方式下面结合附图及实施例子对本发明做进一步说明。本发明提供一种混合式步进电机直接自控制方法，其特征在于在每一个控制周 期中，根据连于主电路的母线电压采集电路及逆变器中功率管开关状态估计得瞬时绕组端 电压以及连于主电路的绕组电流采集电路检测得到瞬时绕组电流，获得绕组电流及绕组端 电压后，根据混合式步进电机的瞬态数学模型估计出瞬时定子磁链和瞬时电磁转矩；由转 子位置角或速度闭环调节器输出给定转矩；将给定转矩和瞬时转矩进行比较，给定磁链和 瞬时磁链进行比较，由比较结果，直接选择逆变器的五个空间电压矢量当中最优的一个作 用于混合式步进电机，通过插入零电压矢量来调节定子磁链矢量瞬时转速。由图1可知，本 发明的混合式步进电机直接自控制系统包括由混合式步进电机、滤波电路、逆变器三者连 接而成的主回路；由绕组电流采集电路、母线电压采集电路、转子位置角采集电路组成的检 测回路连于基于中央控制器的控制系统后，再连于隔离驱动电路。采用两个完全相同的单 相逆变器分别给αβ绕组供电，逆变器中功率管采用IGBT或M0FET，中央控制器采用DSP或 单片机。绕组电流采集电路采用霍尔电流传感器与运算放大器相结合方式构成，也可以采 用绕组串功率电阻后接差分运算放大器相结合方式构成。采用霍尔方案可以有效实现控制回路与主回路的电气隔离，采用绕组串功率电阻方案可以降低驱动系统成本。直流母线电 压采集电路采用霍尔电压传感器与运算放大器相结合方式构成，也可以采用并联电阻，分 压后接由运算放大器构成的电压跟随器相结合方式构成。绕组电流采集电路和母线电压采 集电路输出弱电压信号送到中央控制器A/D转换模块。转子位置采集电路采用旋转编码 器，后接电平转换电路构成。电平转换电路输出信号送给中央控制器正交编码模块。中央 控制器根据取得的信号和本发明的控制策略，计算出转矩与定子磁链所处的区段，并发出 控制信号，经由隔离驱动去控制逆变器中的功率开关管的开关动作，实现了定子磁链的自 控制及电磁转矩的自调节。本发明在控制回路中，删除了电流闭环线路(此处的绕组交流电流信号不作为电 流闭环用，只作为定子磁链和瞬时电磁转矩计算所需的信号)。本发明混合式步进电机直接自控制系统，通过逆变器采用选择最优空间电压矢量 作用于混合式步进电机的方法直接控制电磁转矩，达到快速控制转子转速及转子位置角目 的。根据附图2 图4叙述本发明控制方法的基本原理及具体控制方法如下本发明的 直接自控制的混合式步进电机的定子磁链控制为正方形运动轨迹如图2中所示，给定磁链
Vf为一个恒定值，两个单相逆变器产生四个非零电压矢量％ 和一个零电压矢量。
将％ 顺序作用于定子绕组即可形成正方形定子磁链轨迹，而具体选择哪一个电压矢量
由图3中磁链自控制单元决定，不存在任何坐标旋转变换的计算，系统组成结构极其简单， 但是所得到的系统动态响应非常优良。请参照图3，转矩比较系统中转子位置角或转速闭
环单元输出电磁转矩给定t ,实际转矩Te根据公式S = Px (VJp — HVJ (其中&为转子
齿数，从电机铭牌上可以获得)估计出瞬时电磁转矩？；。如果实际转矩T/」于给定转矩t
，就增加定子磁链矢量K和转子磁链矢量&的夹角,根据磁链迟滞比较输出被选择非 零电压矢量，所选择的非零电压矢量、定子磁链矢量所处区段关系如下表所示。如果实际转 矩7；大于给定转矩f，就减小定子磁链和转子磁链的夹角，选择零电压矢量。若实际转矩
7；基本上等于给定转矩，则应该保持电压矢量不变。而一个控制周期内转子磁链矢量旋
转角度不大，这样角度由定子磁链的旋转方向决定。因此，实际上只要通过控制定子磁
链的旋转方向就能实现定子磁链与转子磁链夹角的改变。而定子磁链受空间电压矢量的影 响，即定子磁链矢量的矢端轨迹将沿着所选空间电压矢量的方向运动，选择不同的空间电 压矢量将使定子磁链的幅值和方向变化。若选择零矢量，则定子磁链矢量不变，即保持定子 磁链矢量的空间位置角度。因此，按照一定规则选择恰当的空间电压矢量就可以控制定子 磁链矢量按所需的运动轨迹运动。本发明的特点就在于定子磁链矢量的矢端轨迹被控制 为正方形，如图2所示。图2所示的就是定子磁链轨迹示意图以及逆变器产生的五个电压 矢量，图中将360°电空间分为4个不同区段而 在四个不同区段存在着各自相应的使 磁链运动轨迹沿着正方形轨迹运动的空间电压矢量，如下表一所示。要迅速改变电磁转矩 T1是通过快速改变定子磁链的空间位置角度达到的。改变定子磁链的空间位置角度是通过选择恰当的非零电压矢量和插入零电压矢量实现的。据此，通过在每一个极短的控制周期 中从五个空间电压矢量中选择非零空间电压矢量或零电压矢量作用于电机，一方面使定子
磁链矢量端点沿着正方形轨迹运动；另一方面尽快地改变定子磁链矢量的空间位
置角度。 表一
实现混合式步进电机直接自控制的框图如图3所示。磁链比较定子磁链向式、各 上的投影分别为&、掛##。正方形轨迹的定子磁链幅值是变化的，但由于引入了氐βρ坐 标系，只需要给定一个恒值磁链#ff，给定磁链幅值等于正方形轨迹的内切圆半径，即正 方形中心到正方形边的垂线长。将Ψ、、%分别与给定磁链Ψ,比较，具体请参照图3， 根据母线电压及逆变器输出电压状态变量&、Sp可以重构出绕组端电压、、 ，即 =Hc ；重构出定子绕组电压、、 和测得绕组电流、、后,根据绕组
电压平衡方程式可以计算出绕组感应电动势、k即入，气= -i^p ;将 绕组感应电动势、、 分别送入积分器输出绕组磁链、Ψρ ;再将磁链、Ψρ变换到
坐标系中得到力、，即= ；^(I + Ψρ) ’ Ψρ =-Ψ.)；将所得的&
、^ν分别与一给定的磁链Ws比较。图3中系统采用两个磁链调节器构成磁链自控制单元。磁链调节器是两点式比 较器，输入为识&、及给定磁链炉,输出两个磁链开关变量^、，两个比较器各
输出一个开关信号W、^。当实际磁链大于+ Ψε,比较器输出为-1，当实际磁链小于
-ψ,,比较器输出+1，其他状态时比较器输出不变。其中，ψ 的磁链比较器输出相磁链
开关信号^ , Ψβ0的磁链比较器输出存相磁链开关信号$。ψ 、Ψβ,及给定磁链
与磁链开关信号^、对应关系见图4所示。转矩调节器为两点式比较器，输入实际转矩Γ￡与转矩给定值< 之差，输出转矩迟 滞比较器输出值4。当实际转矩？；小于给定转矩超过允许容差+ ΔΓ ,转矩迟滞比较器输出值4为1，要求增大转矩；当实际转矩？；大于给定转矩< 超过允许容差—,转矩迟 滞比较器输出值&为0，要求减小转矩；当两者之差在正负容差内，转矩迟滞比较器输出值 4不变。当转矩迟滞比较器输出值&为1时，图3中S开关将接通1和T，逆变器输出电
压状态变量民、Sp分别等于磁链开关变量^、^^ ,即& = @ , 4 = % ,逆变器输 出一个非零电压矢量作用于电机，使得定子磁链以最高速沿正方向旋转，定子磁链矢量与 转子磁链矢量夹角快速增大，转矩增大。而具体输出四个非零矢量( \ 》中哪一个，则
取决于磁链自控制单元的输出巧，兩。当转矩迟滞比较器输出值4为0时，图3中S
开关将接通2和ρ，逆变器输出电压状态变量&、&同时等于零，逆变器输出零电压矢量，
定子绕组端电压为零，定子磁链矢量静止不动，而转子磁链矢量继续旋转，速度基本维持不
变，定子磁链矢量与转子磁链矢量夹角θν随之减小，瞬时转矩随之下降。通过这样的方式，
定子磁链矢量的速度在零和最高速之间任意变化。所以，转矩调节器决定了选择零电压矢 量或非零电压矢量，磁链自控制单元决定了具体选择哪一个非零电压矢量。以上定子磁链 为自控制过程，转矩是自调节的，与转速、定子电阻、直流母线电压无关。磁链自控制环节给 出了正确的非零电压矢量，实现定子磁链自控制于正方形轨迹，而转矩两点式调节器控制 电磁转矩。正方形磁链轨迹共用到2个磁链调节器，要求计算两个磁链，磁链调节器的上下
限为给定磁链&。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
一种混合式步进电机直接自控制方法，其特征在于在每一个控制周期中，根据连于主电路的母线电压采集电路及逆变器中功率管开关状态估计得瞬时绕组端电压以及连于主电路的绕组电流采集电路检测得到瞬时绕组电流，获得绕组电流及绕组端电压后，根据混合式步进电机的瞬态数学模型估计出瞬时定子磁链和瞬时电磁转矩；由转子位置角或速度闭环调节器输出给定转矩；将给定转矩和瞬时转矩进行比较，给定磁链和瞬时磁链进行比较，由比较结果，直接选择逆变器的五个空间电压矢量当中最优的一个作用于混合式步进电机，通过插入零电压矢量来调节定子磁链矢量瞬时转速。
2.根据权利要求1所述的混合式步进电机直接自控制方法，其特征在于所述的磁链 比较按以下步骤实现(1)根据母线电压及逆变器输出电压状态变量又、&重构出绕组端电压、、 ，即= SJJbc , up = SpUbc ；(2)重构出定子绕组端电压、、％和测得绕组电流、3P后,根据绕组电压平衡方程式 计算出绕组感应电动势、、 ，即、=H ,气= -^p ;(3)将绕组感应电动势、、％分别送入积分器输出绕组磁链1^、Ψρ;再将磁链￥ 、%芟换到⑶坐标系中得到^、ψ ，即’ ΨΡ, =-Ψ.)；(4)将所得的识Α、Ψβ,分别与一给定的磁链Fs比较。
3.根据权利要求2所述的混合式步进电机直接自控制方法，其特征在于所述的步骤 (4)是利用两个磁链调节器构成磁链自控制单元进行比较，所述的磁链调节器是两点式比 较器。
4.根据权利要求1或2所述的混合式步进电机直接自控制方法，其特征在于所述转 矩比较按以下步骤实现(1)由转子位置角或转速闭环单元输出电磁转矩给定t；(2)估计出瞬时电磁转矩？；，实际转矩？；根据公式？；= Pn (WJp - ΨρΟ ,其中A为转 子齿数；如果实际转矩？；小于给定转矩？；'，就增加定子磁链矢量R和转子磁链矢量&的 夹角U艮据磁链迟滞比较输出被选择非零电压矢量；如果实际转矩I；大于给定转矩，就减小定子磁链和转子磁链的夹角Θ,”选择零电压矢量；若实际转矩G基本上等于给定 转矩t，则应该保持电压矢量不变。
全文摘要
本发明涉及一种混合式步进电机直接自控制方法，其特征在于在每一个控制周期中，获得绕组电流及绕组端电压后，根据混合式步进电机的瞬态数学模型估计出瞬时定子磁链和瞬时电磁转矩；由转子位置角或速度闭环调节器输出给定转矩；将给定转矩和瞬时转矩进行比较，给定磁链和瞬时磁链进行比较，由比较结果，直接选择逆变器的五个空间电压矢量当中最优的一个作用于混合式步进电机，通过插入零电压矢量来调节定子磁链矢量瞬时转速。本发明的方法不仅提高步进电机动态性能，而且以极其简单的结构实现混合式步进电机位置或速度的闭环控制，具有较好的使用价值。
文档编号H02P21/00GK101902192SQ20101022743
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者周扬忠, 钟天云 申请人:福州大学