[发明专利]混合式步进电机直接自控制方法

说明书

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：~——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；——两相静止坐标系，轴与相绕组轴线同向；——两相静止坐标系，轴超前轴45^o；~——定子磁链矢量所在空间均分的四个区段；——定子磁链矢量；——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；——定、转子磁链矢量夹角，越大，电磁转矩越大。     

图3中符号名称：、——绕组电流；、——绕组电压；、——绕组磁链；、——绕组感应电动势；——估计出的瞬时电磁转矩；——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；——开关；——逆变器中直流母线电压；——积分符号。

图4中符号名称：、——定子磁链矢量在轴上的投影值；、——、两个磁链开关变量，取值为+1或-1；、——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。