三相混合式多細分步進電機驅動器方案

　　1 前言

　　步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(vr)、永磁式步進電機(pm)、混合式步進電機(hb)和單相式步進電機等。由于三相混合式步進電機比二相步進電機有更好的低速平穩性及輸出力矩，所以三相混合式步進電機比二相步進電機有更好應用前景。

　　2 細分原理

　　步進電機的細分控制從本質上講是通過對步進電機的定子繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場按某種要求變化，從而實現步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機內產生接近均勻的圓形旋轉磁場，各相繞組的合成磁場矢量，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。

　　混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。三相混合式步進電機的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機。其轉子上所用永磁磁鐵同樣是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在轉子上產生的感應電流對轉子磁場的影響可忽略不計。在結構上，它相當于一種多極對數的交流永磁同步電機。由于輸入是三相正弦電流，因此產生的空間磁場呈圓形分布，而且可以用永磁式同步電機的結構模型(圖1)分析三相混合式步進電機的轉矩特性。

　　a.電機定子三相繞組完全對稱;

　　b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計;

　　c.激磁電流無動態響應過程;

　　圖1 三相永磁同步電機的簡單結構模型

　　U、V、W 為定子上的3 個線圈繞組，3 個線圈繞組的軸線成 120°。電機單相繞組通電的時候，穩態轉矩可以表達為：T=f(i，theta) 。其中，i 為繞組中通過的電流;theta為電機轉子偏離參考點的角度。

　　即：T=k *I*sin(theta)，k 為轉矩常數

　　若理想的電流源以恒幅值為I，即：

　　iU=I*sin(wt)

　　iV=I*sin(wt+2*PI/3)

　　iW =I*sin(wt+4*PI/3)

　　則電機各相電流產生的穩態轉矩為：

　　TU=k*I*sin(wt)*sin(theta)

　　TV=k*I*sin(wt+2*PI/3)*sin(theta+2*PI/3)

　　TW=k*I*sin(wt+4*PI/3)*sin(theta+4*PI/3)

　　穩態運行時，theta=wt，則三相繞組產生的合成轉矩為：

　　T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin(PI/2-wt+theta)=3/2*k*I

　　以上分析表明，對于三相永磁同步電機，當三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時，由于在內部產生圓形旋轉磁場，電機的輸出轉矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應用到三相混合式步進電機驅動系統中，輸入的220V 交流，經整流后變為直流，再經脈寬調制技術變為三路階梯式正弦波形電流，它們按固定時序分別流過三路繞組，通過改變驅動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉速，輸出的階梯數確定了每步轉過的角度，當角度越小的時候，其階梯數就越多。當然，步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。