CN101902192B - 混合式步进电机直接自控制方法 - Google Patents

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CN101902192B CN2010102274347A CN201010227434A CN101902192B CN 101902192 B CN101902192 B CN 101902192B CN 2010102274347 A CN2010102274347 A CN 2010102274347A CN 201010227434 A CN201010227434 A CN 201010227434A CN 101902192 B CN101902192 B CN 101902192B
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Abstract

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。

Description

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。
附图说明
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：                                               
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE002
~
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE004
——空间电压矢量，括号内数字从前至后依次表示相绕组端电压极性，+1表示正向电压，-1表示反向电压；
Figure 223065DEST_PATH_IMAGE006
——
Figure 77888DEST_PATH_IMAGE006
两相静止坐标系，轴与
Figure 483724DEST_PATH_IMAGE008
相绕组轴线同向；——
Figure 3567DEST_PATH_IMAGE010
两相静止坐标系，
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE012
轴超前
Figure 444038DEST_PATH_IMAGE008
轴45o；~——定子磁链矢量所在空间均分的四个区段；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE018
——定子磁链矢量；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE020
——转子磁链矢量，其幅值因永磁体激磁而恒定；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE022
——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；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE024
——定、转子磁链矢量夹角，
Figure 818563DEST_PATH_IMAGE024
越大，电磁转矩越大。     
       图3中符号名称：
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE028
——
Figure 147914DEST_PATH_IMAGE006
绕组电流；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE032
——
Figure 159863DEST_PATH_IMAGE006
绕组电压；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE036
——绕组磁链；、
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE040
——
Figure 198937DEST_PATH_IMAGE006
绕组感应电动势；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE042
——估计出的瞬时电磁转矩；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE044
——电磁转矩给定；——转矩开关变量；——绕组电阻，从电机铭牌上可以获得；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE050
——开关；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE052
——逆变器中直流母线电压；
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE054
——积分符号。
图4中符号名称：
Figure 2010102274347100002DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure DEST_PATH_IMAGE058
——定子磁链矢量在轴上的投影值；、
Figure DEST_PATH_IMAGE062
——
Figure 880158DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 590494DEST_PATH_IMAGE058
两个磁链开关变量，取值为+1或-1；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure DEST_PATH_IMAGE066
——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
Figure 595839DEST_PATH_IMAGE006
绕组供电，逆变器中功率管采用IGBT或MOFET，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
Figure 24415DEST_PATH_IMAGE022
为一个恒定值，两个单相逆变器产生四个非零电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE068
~
Figure 925637DEST_PATH_IMAGE004
和一个零电压矢量
Figure 506791DEST_PATH_IMAGE002
。将
Figure 28908DEST_PATH_IMAGE068
~
Figure 695513DEST_PATH_IMAGE004
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
Figure 462743DEST_PATH_IMAGE044
，实际转矩
Figure 898404DEST_PATH_IMAGE042
根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE070
（其中
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为转子齿数，从电机铭牌上可以获得）估计出瞬时电磁转矩
Figure 483100DEST_PATH_IMAGE042
。如果实际转矩
Figure 371421DEST_PATH_IMAGE042
小于给定转矩
Figure 440877DEST_PATH_IMAGE044
，就增加定子磁链矢量和转子磁链矢量
Figure 362008DEST_PATH_IMAGE020
的夹角
Figure 737626DEST_PATH_IMAGE024
，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
Figure 345194DEST_PATH_IMAGE042
大于给定转矩
Figure 755446DEST_PATH_IMAGE044
，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
Figure 557311DEST_PATH_IMAGE042
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
Figure 769167DEST_PATH_IMAGE024
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
Figure 519079DEST_PATH_IMAGE014
~
Figure 741113DEST_PATH_IMAGE016
，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
Figure 340591DEST_PATH_IMAGE042
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
Figure DEST_PATH_IMAGE074
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。
Figure DEST_PATH_IMAGE076
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
Figure DEST_PATH_IMAGE078
、
Figure DEST_PATH_IMAGE080
上的投影分别为、
Figure DEST_PATH_IMAGE084
。正方形轨迹的定子磁链幅值是变化的，但由于引入了
Figure 733702DEST_PATH_IMAGE010
坐标系，只需要给定一个恒值磁链
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，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、
Figure 855690DEST_PATH_IMAGE084
分别与给定磁链
Figure 693196DEST_PATH_IMAGE086
比较，具体请参照图3，根据母线电压
Figure 446257DEST_PATH_IMAGE052
及逆变器输出电压状态变量
Figure 685609DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 734598DEST_PATH_IMAGE066
可以重构出绕组端电压、
Figure 616153DEST_PATH_IMAGE032
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
；重构出定子绕组电压
Figure 70530DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 54535DEST_PATH_IMAGE032
和测得绕组电流
Figure 601054DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 462962DEST_PATH_IMAGE028
后，根据绕组电压平衡方程式可以计算出绕组感应电动势
Figure 411327DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 566233DEST_PATH_IMAGE040
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE092
，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
；将绕组感应电动势
Figure 226147DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 62385DEST_PATH_IMAGE040
分别送入积分器输出绕组磁链
Figure 615988DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 692529DEST_PATH_IMAGE036
；再将磁链
Figure 462907DEST_PATH_IMAGE034
、变换到
Figure 635580DEST_PATH_IMAGE010
坐标系中得到
Figure 571437DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 829112DEST_PATH_IMAGE084
，即，
Figure DEST_PATH_IMAGE098
；将所得的
Figure 458019DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 484750DEST_PATH_IMAGE084
分别与一给定的磁链
Figure 903093DEST_PATH_IMAGE086
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
Figure 883949DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 678730DEST_PATH_IMAGE084
及给定磁链
Figure 373017DEST_PATH_IMAGE086
，输出两个磁链开关变量
Figure 211528DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 194528DEST_PATH_IMAGE062
，两个比较器各输出一个开关信号
Figure 215836DEST_PATH_IMAGE060
、。当实际磁链大于+
Figure 39621DEST_PATH_IMAGE086
，比较器输出为-1，当实际磁链小于
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，比较器输出+1，其他状态时比较器输出不变。其中，
Figure 932753DEST_PATH_IMAGE082
的磁链比较器输出
Figure DEST_PATH_IMAGE102
相磁链开关信号
Figure 256287DEST_PATH_IMAGE060
，的磁链比较器输出
Figure DEST_PATH_IMAGE104
相磁链开关信号。
Figure 361275DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 786702DEST_PATH_IMAGE084
及给定磁链与磁链开关信号、
Figure 778295DEST_PATH_IMAGE062
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
Figure 7413DEST_PATH_IMAGE042
与转矩给定值
Figure 588567DEST_PATH_IMAGE044
之差，输出转矩迟滞比较器输出值
Figure 110684DEST_PATH_IMAGE046
。当实际转矩
Figure 777289DEST_PATH_IMAGE042
小于给定转矩超过允许容差+
Figure DEST_PATH_IMAGE106
，转矩迟滞比较器输出值
Figure 104813DEST_PATH_IMAGE046
为1，要求增大转矩；当实际转矩
Figure 610881DEST_PATH_IMAGE042
大于给定转矩
Figure 503795DEST_PATH_IMAGE044
超过允许容差
Figure DEST_PATH_IMAGE108
，转矩迟滞比较器输出值
Figure 510934DEST_PATH_IMAGE046
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不变。
当转矩迟滞比较器输出值
Figure 369748DEST_PATH_IMAGE046
为1时，图3中S开关将接通1和，逆变器输出电压状态变量
Figure 932317DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 352934DEST_PATH_IMAGE066
分别等于磁链开关变量、，即
Figure 411654DEST_PATH_IMAGE064
=
Figure 262060DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 526819DEST_PATH_IMAGE066
=
Figure 998121DEST_PATH_IMAGE062
，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（
Figure 348331DEST_PATH_IMAGE068
~
Figure 799166DEST_PATH_IMAGE004
）中哪一个，则取决于磁链自控制单元的输出
Figure 918432DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 560634DEST_PATH_IMAGE062
。当转矩迟滞比较器输出值
Figure 398140DEST_PATH_IMAGE046
为0时，图3中S开关将接通2和
Figure DEST_PATH_IMAGE112
，逆变器输出电压状态变量
Figure 590350DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 813389DEST_PATH_IMAGE066
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
Figure 377226DEST_PATH_IMAGE024
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
Figure 452761DEST_PATH_IMAGE086
。
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。

Claims (2)

1.一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；
所述的磁链比较按以下步骤实现：
（1）根据母线电压                                               
Figure 2010102274347100001DEST_PATH_IMAGE002
及逆变器输出电压状态变量
Figure 2010102274347100001DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 2010102274347100001DEST_PATH_IMAGE006
重构出绕组端电压
Figure 2010102274347100001DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 2010102274347100001DEST_PATH_IMAGE010
，即
Figure 2010102274347100001DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
（2）重构出定子绕组端电压
Figure 573315DEST_PATH_IMAGE008
、和测得绕组电流
Figure DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018
后，根据绕组电压平衡方程式计算出绕组感应电动势
Figure DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，即，；
（3）将绕组感应电动势、
Figure 416134DEST_PATH_IMAGE022
分别送入积分器输出绕组磁链
Figure DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；再将磁链
Figure 105873DEST_PATH_IMAGE028
、变换到
Figure DEST_PATH_IMAGE032
坐标系中得到、
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
；
（4）将所得的
Figure 943171DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 142071DEST_PATH_IMAGE036
分别与一给定的磁链
Figure DEST_PATH_IMAGE042
比较；
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
Figure DEST_PATH_IMAGE044
；
2）估计出瞬时电磁转矩
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，实际转矩
Figure 686316DEST_PATH_IMAGE046
根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为转子齿数；如果实际转矩
Figure 555046DEST_PATH_IMAGE046
小于给定转矩
Figure 309376DEST_PATH_IMAGE044
，就增加定子磁链矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE052
和转子磁链矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE054
的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE056
，根据磁链迟滞比较输出被选择非零电压矢量；如果实际转矩
Figure 918824DEST_PATH_IMAGE046
大于给定转矩
Figure 379892DEST_PATH_IMAGE044
，就减小定子磁链和转子磁链的夹角
Figure 747420DEST_PATH_IMAGE056
，选择零电压矢量；若实际转矩
Figure 989045DEST_PATH_IMAGE046
基本上等于给定转矩，则应该保持电压矢量不变。
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。
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