混合式步進電動機恒總流驅動系統的穩態仿真

    王宗培，程  智，史敬灼，任  雷

    (1．哈爾濱工業大學，黑龍江  哈爾濱  150001；2．清華大學，北京  100084)

摘要：闡明了五相混合式垣頻斬波恒總流步進電動饑系統坊真的主要問題，對斬波過程主電路拓撲結構變化作了細致分析，建立了完整的系統仿真模型。仿真結果與實測基本一致，說明模型足可靠的。

關鍵詞：五相混合式步進電動機；恒．總流驅動：系統仿真

1  引  言

    步進電動機的穩態運行特性，主要指它的牽出持性，是對步進電動饑、步進電動機驅動器及步進應用系統設計和優化的目標和依據。所以建立有效的穩態運行分析模型很蘑要，一直受到重視。但是，由于步進電動機的結構及運行條件都區別于常規的電動機，再加上步進電動機有各種不同的相數、不同的繞組聯接、不同的通電方式、不同的驅動主電路結構和控制方法等，使得問題復雜化，至今想要建立一個統一的通用分析模型的時機尚不成熟。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電動機定電流驅動系統。同樣是主流產品，應用很廣的五相混臺式步進電動機系統，則相差很遠，至今還沒有完善的分析模型。作者曾經在給定驅動器功放級電壓幅值，給定繞組電壓波形的情況下，建立過五相混合式步進電動機的穩態仿真模型。它大體上可以適用于國內應用的升頻升壓驅動的情況，事實上即使滿足這種驅動條件，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電動機系統仿真的主要問題，建立了完整的系統仿真模型，設計了相應的系統仿真軟件。并通過實驗校驗證明所建模型的正確性，為五相混合式步進電動機系統的研究和設計捉洪了重要的基礎。

    恒頻斬波恒總流這一驅動方式是步進電動機高性能驅動理論研究的主要方向，該系統的結構如圖1所示。該系統可以分解為主電路和控制電路兩部分。主電路包括電機繞組電路及功放級電路；控制部分包括電流反饋環節和控制環節。

2電流反饋環節

    由采樣電阻上取出的總電流信號需經過濾波才能送入比較器與給定信號進行比較。這里所說的“電流反饋環節”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單的rc濾波，圖2給出了一種典型電流反饋環節的結構。其中二級管d_i起到了重要的作用。當采樣電阻壓降u_i與輸出端電容電壓u0比較而言足夠高時，d_i

導通,u_i通過100ω的電阻向電容充電。當u₀較高電容放電時則是通過4．4kω電阻進行的。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，即其包絡線。如圖3實測電流波形及反饋電壓u₀波形所示。因而，對這一環節仿真的重點在于充、放電回路的不同。具體來說，根據d_i狀念可以有兩個不同的時問常數：

    顯然，時間常數為τ_on時可以得到較快的充電過程。放電時，時問常數則只能是τ_off。在仿真中，d_i的通、斷狀態可以根據u_i與u₀的大小關系實時判斷。相同運行狀態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  控制環節

    電流反饋與給定進行比較得出的誤差信號經控制環節處理，得到相應的控制信號。恒頻斬波恒總流步進電動機系統中，所需的控制信號是具有可控占空比d的恒頻pwm脈沖信號。pwm脈沖由三角波發生器和一個比較器產生，而控制環節的輸出電壓作為比較器比較電平輸入，調節pwm脈沖的占空比d。不考慮三角波的非線性，可以認為如下關系成立：

    d=pu_r    (3)

式中  p——恒定比例系數，1／v

    u_r——控制環節的輸出電壓，v

    控制環節通常采用比例(p)或比例積分(pi)訓節器，分別滿足如下規律：

式中uerr<