一种混合式步进电机低速振荡抑制方法 【技术领域】
本发明涉及一种混合式步进电机低速振荡抑制方法。
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。但电机工作于步进状态，且电机自身的阻尼振荡系数很小，这样在低速运行区的一些转速点上会产生剧烈的转子振荡，极大地限制了电机运行速度范围。对于转子50齿的混合式步进电机，发生振荡时的典型转速约为1r/s、2r/s、4r/s。本发明正是针对混合式步进电机低速振荡问题，提出一种有效抑制方法，实现电机在低速区平稳运行。
目前混合式步进电机多采用微步控制，其思想是将每一个整步间隔进行N等分，每接收到一个外部脉冲，转子旋转一个很小的步进角，而不是原来很大的整步角。低速区运行稳定性确有提高，但电机自身的阻尼振荡系数并没有增大，低速振荡依然存在。同轴安装速度或加速度传感器，构成速度或加速度负反馈，可以有效抑制低速振荡，但提高了驱动系统硬件成本，而且也降低了驱动系统的可靠性。也可以利用加装无功器件的方法，抑制转子振荡，但需要对原有的驱动硬件系统重新设计，同样存在增大系统成本问题。
【发明内容】
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能有效抑制混合式步进电机低速振荡的方法，该方法无需增加额外的速度或加速度传感器、额外的无功器件等，降低了步进驱动器成本。
本发明采用以下方案实现：一种混合式步进电机低速振荡抑制方法，其特征在于：根据混合式步进电机微步控制系统已存在的绕组反馈电流
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、
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和绕组给定电压
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、
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，采用磁链估计器、转子转矩估计器、带通滤波器、比例调节器得到有效抑制转子低速振荡的绕组给定电流相位角调制量
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，再利用绕组给定电流相位调制器及绕组电流闭环控制方式，实现绕组实际电流相位的实时调制，抑制转子低速振荡。
本发明的方法适用于两相或多相混合式步进电机，在一较佳实施例子中其实现步骤如下：（1）将设定的定子电流相位角
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及其幅值
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，经过绕组电流预给定器得到绕组电流预给定值
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、
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，即
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、
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，其中电流相位角
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由上位机直接以二进制数值形式给出或利用可逆增减计算器对外部输入脉冲进行计数得到，幅值
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等于电机绕组额定峰值电流；
（2）将
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、
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及绕组给定电流相位角的调制量
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经过绕组给定电流相位调制器得到绕组电流给定值
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、
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，即
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、
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；
（3）计算电流误差
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，
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，并通过PI调节器得到绕组电压给定
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、
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，
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，
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，其中：
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，
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；
（4）
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、
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通过脉宽调制及功率管驱动得到控制逆变桥中功率管开关控制信号，实现绕组电流闭环控制；
上述的步骤（2）中，所述绕组给定电流相位角的调制量
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由如下步骤得到：
（2.1）通过电流传感器以及相应的信号处理电路从逆变桥电路中测得电机相电流
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、
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；
（2．2）将
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、
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及
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、
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送入磁链估计器，得到转子磁链
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、
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，
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，
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，其中
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、L分别为绕组电阻、自电感；
（2.3）将
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、
![]()
及
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、
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送入转子转矩估计器中，得到转矩
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，
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，其中：
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为转子齿数；
（2.4）将
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送入带通滤波器，得到含有低速振动的高频信号
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；
（2.5）将
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送入比例调节器，得到用于绕组给定电流相位角的调制量
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，
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，其中：
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。
本发明同现有的加装速度或加速度方案以及加装无功器件抑制转子振荡方法相比较，具有以下优点：1）利用驱动系统中已有的绕组电流检测值和电压给定值，采用磁链估计器、转矩估计器、带通滤波器、比例调节器，获得绕组给定电流相位角调制量，驱动系统硬件成本没有增加；2）利用转子转矩估计器观测出转子磁链与绕组电流相互作用产生的电磁转矩，并用该转矩经过带通滤波器、比例调节器后，对绕组给定电流相位角进行调制，其中没有积分滞后环节，抑制低速振荡效果更好；3）加入静止的坐标变换环节后，本发明同样适用于多相混合式步进电机。
【附图说明】
图1是具有抑制转子低速振荡功能混合式步进电机微步控制原理框图。
图2是混合式步进电机动态变化过程。
图3是带通滤波器幅频特性曲线。
图4是实施例的混合式步进电机微步控制硬件结构。
图5是实施例的
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相逆变桥。
图6是实施例的绕组端电压正脉冲和负脉冲波形。
图7是实施例的具有低速振荡抑制功能时转矩波形。
图8是实施例的无低速振荡抑制功能时转矩波形。
【具体实施方式】
本发明根据混合式步进电机微步控制系统已存在的绕组反馈电流
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、
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和绕组给定电压
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、
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，采用磁链估计器、转子转矩估计器、带通滤波器、比例调节器得到有效抑制转子低速振荡的绕组给定电流相位角调制量
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，再利用绕组给定电流相位调制器及绕组电流闭环控制方式，实现绕组实际电流相位的实时调制，抑制转子低速振荡。如图1所示，图1是具有抑制转子低速振荡功能混合式步进电机微步控制原理框图。其中交流电压经过二极管整流，再经过电容C滤波成直流电压
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后，加在分别控制混合式步进电机两相绕组电流的单相逆变桥上。定子电流相位角
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及其幅值
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经过绕组电流预给定器得到绕组电流预给定值
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、
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，再经过绕组给定电流相位调制器得到绕组电流给定值
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、
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，电流误差通过PI调节器得到绕组电压给定
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、
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，通过脉宽调制及功率管驱动得到控制逆变桥中功率管控制信号，实现绕组电流闭环控制。检测的绕组电流
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、
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一方面用于构成电流闭环控制反馈，另一方面与
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、
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一道送给磁链估计器，得到磁链
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、
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。
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、
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与
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、
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一起送给转子转矩估计器，得到转子转矩
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。
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经过带通滤波器，得到含有低速振动的高频信号
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。
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经过比例调节器，得到用于绕组给定电流相位角的调制量
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。通过绕组给定电流相位调制器，实现
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对绕组电流预给定值
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、
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相位角调制，得到绕组电流给定值
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、
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。若将图中虚线框2部分去除，将
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、
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直接作为
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、
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，对应的原理框图即为无转子低速振荡抑制功能的普通电流闭环微步混合式步进电机控制原理框图。混合式步进电机动态变化过程如图2所示。其中
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、
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、
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分别为转子永磁体磁链矢量、绕组电流预给定矢量、绕组电流给定矢量。
根据习知的电机运动方程可见，在负载一定情况下，转子转速控制性能直接取决于电机电磁转矩。在电流闭环微步混合式步进电机控制系统中，定子电流相位角直接控制电磁转矩。当
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大于零，表明转子振荡导致电机电磁转矩大于负载转矩，转速有增大趋势，为了抑制转速增大，减小定子电流相位角，瞬时减小电磁转矩；反之，当
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小于零，表明转子振荡导致电机电磁转矩小于负载转矩，转速有减小趋势，为了抑制转速减小，增大定子电流相位角，瞬时增大电磁转矩。采用定子电流相位角调制，有效抑制电磁转矩脉动，有效抑制转速的波动，实现转子平稳旋转。
本发明的方法适用于两相及多相混合式步进电机，为了让一般技术人员更好的了解本发明，本实施例中具体介绍如下实现步骤：
（1）将设定的定子电流相位角
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及其幅值
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，经过绕组电流预给定器得到绕组电流预给定值
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、
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，即
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、
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，其中电流相位角
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由上位机直接以二进制数值形式给出或利用可逆增减计算器对外部输入脉冲进行计数得到，幅值
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等于电机绕组额定峰值电流；
（2）将
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、
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及绕组给定电流相位角的调制量
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经过绕组给定电流相位调制器得到绕组电流给定值
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、
![]()
，即
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、
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；
（3）计算电流误差
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，
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，并通过PI调节器得到绕组电压给定
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、
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，
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，
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，其中：
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，
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；
（4）
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、
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通过脉宽调制及功率管驱动得到控制逆变桥中功率管开关控制信号，实现绕组电流闭环控制；
上述的步骤（2）中，所述绕组给定电流相位角的调制量
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由如下步骤得到：
（2.1）通过电流传感器以及相应的信号处理电路从逆变桥电路中测得电机相电流
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、
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；
（2．2）将
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、
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及
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、
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送入磁链估计器，得到转子磁链
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、
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，
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，
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，其中
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、L分别为绕组电阻、自电感，从电机铭牌上得到；
（2.3）将
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、
![]()
及
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、
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送入转子转矩估计器中，得到转矩
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，
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，其中：
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为转子齿数，从电机铭牌上得到；
（2.4）将
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送入带通滤波器，得到含有低速振动的高频信号
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；
（2.5）将
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送入比例调节器，得到用于绕组给定电流相位角的调制量
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，
![]()
，其中：
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。
以上所述步骤（2.4）中带通滤波器幅频特性曲线如图3所示。
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、
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分别为带通滤波器的下、上截止电角频率。设绕组电流基波电角频率为
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，则
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，将
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中基波分量可靠滤除。假设系统开关角频率为
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。则为了避免系统开关动作耦合到系统输入端，干扰转子振荡抑制功能的正常发挥，则
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。
对于三相混合式步进电机，通过电流传感器以及相应的信号处理电路从逆变桥电路中测得电机三相中任意两相电流
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、
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，采用3/2坐标变换计算
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、
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如下：
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对于三相混合式步进电机，需要采用三相逆变桥控制电机绕组电压，在获得电压给定
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、
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后，采用空间电压矢量调制方法即可获得驱动三相逆变桥的功率管开关控制信号。
请继续参见图4，图4是本发明混合式步进电机微步控制硬件结构，其包括：整流电路、滤波电容、逆变器、混合式步进电机、母线电压采集电路、绕组电流采集电路、隔离驱动、中央控制器、人机接口。
这里我们以TMS320F2808DSP为中央控制器为例，以两相混合式步进电机为控制对象进行实验验证。实验中混合式步进电机参数为：R=1
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；L=0.0018H；p=50；I
N=4A；
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。实验条件：直流母线电压
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为30V；采样周期50
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；电流基频
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（对应转速1.875r/s，无低速振荡抑制功能时，该电机在该转速点上产生剧烈振荡）；空载。
实验中我们按以下步骤进行：
1.设定
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，
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，
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，
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，
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；
2.细分数为16，
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；
3.计算绕组给定电流相位角调制量
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如下：
(3.1).通过电流传感器以及相应的信号处理电路从逆变桥电路中测得电机相电流
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、
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；
(3.2).由下式计算出转子磁链
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、
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：
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；
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；
(3.3).由下式计算出转矩
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：
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(3.4).将
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送入带通滤波器，得到含有低速振动的高频信号
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；
(3.5).由下式计算出用于绕组给定电流相位角的调制量
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：
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；
4.根据细分数、输入脉冲、
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，计算出绕组电流预给定值
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、
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：
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，
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；
5.
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、
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及
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经过绕组给定电流相位调制器得到绕组电流给定值
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、
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：
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，
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；
6.计算绕组电流误差
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、
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：
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，
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；
7.电流误差通过PI调节器得到绕组电压给定
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、
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：
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，
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；
8.两个绕组采用的单相逆变桥相同，以
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相为例逆变桥如图5所示，绕组两端产生正脉冲和负脉冲波形如图6所示，
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为采样周期50
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，
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相绕组电压脉宽分别为
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、
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。根据
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、
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进行脉宽调制，产生驱动功率管的开关信号，其脉宽如下：
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，
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；
图7为具有低速振荡抑制功能时转矩实验波形，而图8为无低速振荡抑制功能时转矩实验波形。比较可见，具有低速振荡抑制功能时转矩峰-峰值脉动只有无低速振荡抑制功能时的39.4%，转子低速振荡得到有效抑制。
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。