直流母線電壓可變的混合式步進(jìn)電機(jī)控制策略

陳光團(tuán)，周揚(yáng)忠

(福州大學(xué)，福州 350108)

直流母線電壓可變的混合式步進(jìn)電機(jī)控制策略

陳光團(tuán)，周揚(yáng)忠

(福州大學(xué)，福州 350108)

開環(huán)控制混合式步進(jìn)電機(jī)在中高速區(qū)的負(fù)載能力與直流母線電壓有關(guān)，提高直流母線電壓可以提高電機(jī)的負(fù)載能力。但直接提高直流母線電壓會(huì)增大混合式步進(jìn)電機(jī)及功率管的損耗，降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。介紹了一種根據(jù)電機(jī)負(fù)載情況控制直流母線電壓的步進(jìn)電機(jī)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略能在保持混合式步進(jìn)電機(jī)最大負(fù)載能力的基礎(chǔ)上，降低電機(jī)損耗，達(dá)到負(fù)載能力與損耗兼顧的目的。

混合式步進(jìn)電機(jī)；直流母線電壓；負(fù)載能力

0 引 言

混合式步進(jìn)電機(jī)由于其輸出轉(zhuǎn)矩大無累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，在速度、位置等控制領(lǐng)域較容易地實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。但由于混合式步進(jìn)電機(jī)高極對(duì)數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其定子電流的頻率很高，反電動(dòng)勢(shì)較大。當(dāng)電機(jī)工作于中高轉(zhuǎn)速時(shí)，定子電流無法跟蹤給定電流，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩明顯減小，電機(jī)負(fù)載能力下降。提高混合式步進(jìn)電機(jī)的直流母線電壓，可以顯著提高其負(fù)載能力，但它會(huì)使得步進(jìn)電機(jī)及功率管的損耗明顯增大，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率明顯降低?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)在最高直流母線電壓下進(jìn)行開環(huán)控制，其效率是很低的[1-2]。為了提高其效率，有人提出了混合式步進(jìn)電機(jī)矢量控制[3-4]，它可以提高步進(jìn)電機(jī)的效率，增大電機(jī)的調(diào)速范圍[5]；但由于它是閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，并且需要位置傳感器或需要計(jì)算工作量較大的狀態(tài)觀測(cè)器[6-9]，增加了硬件成本。況且由于矢量控制需要留有一定的電壓裕度，其負(fù)載能力比開環(huán)控制略低。

本文提出了一種直流母線電壓可變的混合式步進(jìn)電機(jī)控制策略,在至逆變橋的直流母線中間增加一個(gè)直流升壓斬波(Boost)電路以控制直流母線電壓。先計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的瞬時(shí)輸出功率和最大輸出功率，并由此控制步進(jìn)電機(jī)的直流母線電壓。當(dāng)負(fù)載比較低時(shí)，直流母線電壓比較低，從而降低損耗。當(dāng)負(fù)載比較高時(shí)，直流母線電壓比較高，負(fù)載能力較大。

1 直流母線電壓控制策略

1.1 步進(jìn)電機(jī)輸出功率研究

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的矢量圖如圖1所示。圖1中A-B坐標(biāo)系為靜止坐標(biāo)系，d-q坐標(biāo)系為定向于轉(zhuǎn)子的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，m-t坐標(biāo)系為定向于定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)坐標(biāo)系。電機(jī)采用具有兩相繞組電流閉環(huán)的微步開環(huán)控制策略，兩相繞組各采用一個(gè)單相逆變橋供電。

圖1 矢量圖

對(duì)于混合式步進(jìn)電機(jī)，忽略鐵耗，其瞬時(shí)輸出功率：

式中:uA,uB為A,B相瞬時(shí)電壓，iA,iB為A,B相瞬時(shí)電流，Rs為定子電阻。忽略定子電阻以及動(dòng)態(tài)量，可得定子電壓穩(wěn)態(tài)平衡方程式如下：

式中:ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；is為定子電流矢量；us為定子電壓矢量。

參照永磁同步電機(jī)，忽略凸極效應(yīng)，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以表示：

式中:p為電機(jī)極對(duì)數(shù);|ψf|為轉(zhuǎn)子磁鏈幅值;iq為定子電流q軸分量。

顯然，當(dāng)iq最大時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩最大。忽略定子電阻壓降時(shí)，穩(wěn)態(tài)iq值如下：

式中:Ls為定子電感;ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度;δ為d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻的夾角;θi為d軸與定子電流矢量is的夾角。

(1)低速區(qū)

當(dāng)電機(jī)處于低速區(qū)時(shí)，由于繞組反電動(dòng)勢(shì)幅值較低，定子繞組電流能夠跟蹤其給定值。

忽略凸極效應(yīng)，當(dāng)定子電流矢量與轉(zhuǎn)子永磁磁鏈?zhǔn)噶坎?0°電角度時(shí)，iq最大，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最大。此時(shí)電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，其最大轉(zhuǎn)矩：

當(dāng)電機(jī)逐漸提高轉(zhuǎn)速至低速區(qū)與中速區(qū)的臨界轉(zhuǎn)速，且輸出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，定子電壓基波分量幅值為UDC，定子電流恰好能夠跟蹤其給定值，此臨界轉(zhuǎn)速：

(2)高速區(qū)

當(dāng)電機(jī)處于高速區(qū)時(shí)，由于繞組反電動(dòng)勢(shì)幅值遠(yuǎn)高于直流母線電壓，定子繞組電流完全不能跟蹤其給定值，加在繞組上電壓為方波，其基波幅值為1.273 2UDC。由式(4)可得，忽略凸極效應(yīng)，當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶颗c轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶坎?0°電角度時(shí)，iq最大，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最大。此時(shí)電機(jī)處于恒功率狀態(tài)，其最大轉(zhuǎn)矩：

(3)中速區(qū)

因此，混合式步進(jìn)電機(jī)的最大輸出功率：

1.2 直流母線電壓控制策略

圖2 直流母線電壓控制策略

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)的硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中通過在逆變橋前增加一個(gè)Boost電路來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括交流電壓源、Boost電路、以 TMS320F2809型DSP為核心的驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、計(jì)算機(jī)、脈沖發(fā)生器、示波器、功率分析儀等。在步進(jìn)電機(jī)上同軸安裝一個(gè)HL9800測(cè)功機(jī)作為負(fù)載。實(shí)驗(yàn)中相電流、直流母線電壓等數(shù)據(jù)由驅(qū)動(dòng)器自帶的傳感器獲得，并傳送到上位機(jī)上。Boost電路輸出電壓由示波器得到。DSP控制周期為50 μs。Boost電路開關(guān)頻率為40 kHz，輸入直流電壓為30 V。Boost電路輸出直流電壓，即逆變橋直流母線電壓采用PI閉環(huán)控制，最小值限幅為35 V，最大值限幅為60 V。繞組電流給定幅值為4 A，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)細(xì)分?jǐn)?shù)為16。實(shí)驗(yàn)中使用的混合式步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)：相數(shù)為2，步距角1.8°，相電阻0.7Ω，相電感5 mH，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為50，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.006 Wb。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

圖4是在脈沖發(fā)生器輸出為10 kHz，即轉(zhuǎn)速為187.5 r/min情況下，由上位機(jī)測(cè)得的步進(jìn)電機(jī)電流幅值和輸出功率波形以及由示波器測(cè)得的Boost電路輸出的電壓波形。由圖4可知，此時(shí)實(shí)際電流能跟蹤給定電流，電機(jī)處于低速區(qū)，隨著負(fù)載增大，Boost電路輸出電壓和步進(jìn)電機(jī)相電流幅值均不變，Boost電路輸出電壓一直維持在最低電壓。圖5是在脈沖發(fā)生器輸出為40 kHz，即轉(zhuǎn)速為750 r/min情況下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)波形。此時(shí)實(shí)際電流不能跟蹤給定電流，電機(jī)處于高速區(qū)，隨著負(fù)載增大，Boost輸出電壓增大，并因此使電流幅值增大，提高電機(jī)負(fù)載能力。

(a)電流幅值和輸出功率(b)Boost輸出電壓

圖4 187.5 r/min實(shí)驗(yàn)波形

圖5 750 r/min實(shí)驗(yàn)波形

圖6是直流母線分別采用本文所提的變電壓控制策略、傳統(tǒng)的恒定35 V及60 V直流電壓時(shí)測(cè)功機(jī)測(cè)得的步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。由圖6可以看出，直流母線電壓可變的步進(jìn)電機(jī)，在中高轉(zhuǎn)速區(qū)負(fù)載能力明顯比直流母線電壓為35 V的步進(jìn)電機(jī)強(qiáng)。其負(fù)載能力與直流母線電壓為60 V的步進(jìn)電機(jī)基本相當(dāng)。

圖6 最大轉(zhuǎn)矩曲線

圖7是直流母線分別采用本文所提的變電壓控制策略、傳統(tǒng)的恒定60 V時(shí)測(cè)得的581 r/min下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入功率和Boost輸出電壓與負(fù)載的關(guān)系曲線。由圖7可以看出，直流母線電壓可變的步進(jìn)電機(jī)與直流母線電壓為60 V的步進(jìn)電機(jī)相比，在中低負(fù)載時(shí)直流母線電壓較低，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗明顯小得多。

(a)輸入功率(b)Boost輸出電壓

圖7 581 r/min下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語

本文根據(jù)開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力與直流母線電壓的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種根據(jù)電機(jī)負(fù)載情況，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)直流母線電壓的步進(jìn)電機(jī)控制策略。該控制策略能在保持步進(jìn)電機(jī)最大負(fù)載能力的情況下，提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。

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Control Strategy with Variable DC Link Voltage for Hybrid Stepping Motor

CHENGuang-tuan，ZHOUYang-zhong

(Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

The load capacity of hybrid stepping motor with open loop control in middle-speed and high-speed field is associated with the DC link voltage. Increasing the DC link voltage can improve the load capacity of motor. However, increasing the DC link voltage directly will increase the loss of hybrid stepping motor and devices and reduce the efficiency of the driving system. A control strategy of stepping motor was proposed to control the DC link voltage by the load of the motor. The experimental results show that the control strategy can reduce the loss of the hybrid stepping motor on the maximum load capacity so as to gain load capacity and efficiency of the motor to some extent.

hybrid stepping motor; DC link voltage; load capacity

2016-09-23

TM383.6

A

1004-7018(2017)03-0065-04

陳光團(tuán)(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)。