混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)恒總流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真
王宗培，程 智，史敬灼，任 雷
(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2．清華大學(xué)，北京 100084)
摘要：闡明了五相混合式垣頻斬波恒總流步進(jìn)電動(dòng)饑系統(tǒng)坊真的主要問題，對(duì)斬波過程主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化作了細(xì)致分析，建立了完整的系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)基本一致，說(shuō)明模型足可靠的。
關(guān)鍵詞：五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；恒．總流驅(qū)動(dòng)：系統(tǒng)仿真
1 引 言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性，主要指它的牽出持性，是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)饑、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的目標(biāo)和依據(jù)。所以建立有效的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析模型很蘑要，一直受到重視。但是，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件都區(qū)別于常規(guī)的電動(dòng)機(jī)，再加上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有各種不同的相數(shù)、不同的繞組聯(lián)接、不同的通電方式、不同的驅(qū)動(dòng)主電路結(jié)構(gòu)和控制方法等，使得問題復(fù)雜化，至今想要建立一個(gè)統(tǒng)一的通用分析模型的時(shí)機(jī)尚不成熟。到目前為止研究得較多，具有較為完善的分析模型的足二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。同樣是主流產(chǎn)品，應(yīng)用很廣的五相混臺(tái)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，則相差很遠(yuǎn)，至今還沒有完善的分析模型。作者曾經(jīng)在給定驅(qū)動(dòng)器功放級(jí)電壓幅值，給定繞組電壓波形的情況下，建立過五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)仿真模型。它大體上可以適用于國(guó)內(nèi)應(yīng)用的升頻升壓驅(qū)動(dòng)的情況，事實(shí)上即使?jié)M足這種驅(qū)動(dòng)條件，也還有很大的局限性。
本文首次闡明了恒頻斬波恒總流五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真的主要問題，建立了完整的系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)仿真軟件。并通過實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)證明所建模型的正確性，為五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)捉洪了重要的基礎(chǔ)。
恒頻斬波恒總流這一驅(qū)動(dòng)方式是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高性能驅(qū)動(dòng)理論研究的主要方向，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)可以分解為主電路和控制電路兩部分。主電路包括電機(jī)繞組電路及功放級(jí)電路；控制部分包括電流反饋環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)。
2電流反饋環(huán)節(jié)
由采樣電阻上取出的總電流信號(hào)需經(jīng)過濾波才能送入比較器與給定信號(hào)進(jìn)行比較。這里所說(shuō)的“電流反饋環(huán)節(jié)”即指采樣電阻和電流反饋濾波電路。恒總流控制方式中的電流反饋濾波電路不同于簡(jiǎn)單的rc濾波，圖2給出了一種典型電流反饋環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)。其中二級(jí)管di起到了重要的作用。當(dāng)采樣電阻壓降ui與輸出端電容電壓u0比較而言足夠高時(shí)，di
導(dǎo)通,ui通過100ω的電阻向電容充電。當(dāng)u0較高電容放電時(shí)則是通過4．4kω電阻進(jìn)行的。充、放電回路的不同，使輸出端電容電壓u0的波形趨向于電流波形的****值，即其包絡(luò)線。如圖3實(shí)測(cè)電流波形及反饋電壓u0波形所示。因而，對(duì)這一環(huán)節(jié)仿真的重點(diǎn)在于充、放電回路的不同。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)di狀念可以有兩個(gè)不同的時(shí)問常數(shù)：
顯然，時(shí)間常數(shù)為τon時(shí)可以得到較快的充電過程。放電時(shí)，時(shí)問常數(shù)則只能是τoff。在仿真中，di的通、斷狀態(tài)可以根據(jù)ui與u0的大小關(guān)系實(shí)時(shí)判斷。相同運(yùn)行狀態(tài)下得到的總電流和反饋電壓仿真波形如圖4所示，與圖3基本一致。
3 控制環(huán)節(jié)
電流反饋與給定進(jìn)行比較得出的誤差信號(hào)經(jīng)控制環(huán)節(jié)處理，得到相應(yīng)的控制信號(hào)。恒頻斬波恒總流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，所需的控制信號(hào)是具有可控占空比d的恒頻pwm脈沖信號(hào)。pwm脈沖由三角波發(fā)生器和一個(gè)比較器產(chǎn)生，而控制環(huán)節(jié)的輸出電壓作為比較器比較電平輸入，調(diào)節(jié)pwm脈沖的占空比d。不考慮三角波的非線性，可以認(rèn)為如下關(guān)系成立：
d=pur (3)
式中 p——恒定比例系數(shù)，1／v
ur——控制環(huán)節(jié)的輸出電壓，v
控制環(huán)節(jié)通常采用比例(p)或比例積分(pi)訓(xùn)節(jié)器，分別滿足如下規(guī)律：
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