反向EMF法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制.doc

反向EMF法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制上網(wǎng)日期: 2001年09月01日 窗體頂端窗體底端有 2 名讀者發(fā)表評(píng)論申請(qǐng)免費(fèi)雜志 訂閱 收藏 打印版 歡迎您! 來自Baidu的用戶.請(qǐng)點(diǎn)擊了解更多“ EMF控制”資訊關(guān)鍵字： EMF 電磁力 Kalman filter 卡爾曼濾波器 步進(jìn)電機(jī) 在對(duì)電機(jī)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理過程中，可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)位置控制。本文首先從最常用的步進(jìn)電機(jī)方案入手，然后再介紹如何用更常用、性能更優(yōu)的反向EMF法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，該方法利用了電機(jī)本身換向周期的相關(guān)信息。 Don Morgan 高級(jí)工程師 Ultra stereo實(shí)驗(yàn)室 Email: 實(shí)現(xiàn)無傳感器控制的最簡(jiǎn)單易行的方法可能就是使用步進(jìn)電機(jī)。該方法占用的系統(tǒng)資源很少，可以作為DSP系統(tǒng)的一個(gè)附屬驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)是多相電機(jī)，只需對(duì)其運(yùn)動(dòng)做少量記錄，并結(jié)合系統(tǒng)機(jī)械和電的限制條件就可得到轉(zhuǎn)子位置。 簡(jiǎn)單來說，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由兩個(gè)帶齒的磁極組成。在磁極之間，有磁場(chǎng)方向沿轉(zhuǎn)子軸向的永久磁體。這樣，轉(zhuǎn)子的一端是北極，而另一端是南極。齒分布在南極端和北極端，盡管彼此相鄰但不在同一條線上。電機(jī)的定子是一個(gè)帶四個(gè)齒的軸套，其長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子相同。線圈繞在定子的齒上，并成對(duì)地連接在一起(圖1)。 由于繞組中電流的方向決定了定子受力的方向，通過控制繞組中電流的方向，可以預(yù)先定位轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置。每一步轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的位移是由電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)確定的。設(shè)定了起點(diǎn)后，計(jì)算電機(jī)向前或向后移動(dòng)的步數(shù)，在電機(jī)的公差范圍內(nèi)可以確定相對(duì)于起點(diǎn)的位置變化。旋轉(zhuǎn)很多圈后，通過計(jì)算轉(zhuǎn)數(shù)，在電機(jī)的公差范圍內(nèi)仍然可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，因此，用步進(jìn)電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)無傳感器的電機(jī)控制系統(tǒng)。 這一方法同樣適用于三相電機(jī)。在以下的無傳感器的應(yīng)用中，將用這種方法起動(dòng)電機(jī)。盡管這一控制方法既簡(jiǎn)單又實(shí)用，但在選用這種方法之前，要仔細(xì)考慮其局限性。它的問題主要表現(xiàn)在：力矩固定、大小有限、系統(tǒng)采用開環(huán)控制。 開環(huán)控制還是閉環(huán)控制？ 通常，控制可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。在開環(huán)控制中，軌跡發(fā)生器對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令來產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果，但并不對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行檢查或作任何糾正。 在閉環(huán)控制中，將誤差加入到原始控制指令中，更準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)負(fù)載。如果所得到的軸速度不準(zhǔn)確，可以根據(jù)誤差的大小修正控制指令，這種由誤差驅(qū)動(dòng)的控制方式稱為伺服控制。這種閉環(huán)控制可以針對(duì)系統(tǒng)的位置、速度和力矩特性來實(shí)現(xiàn)。 同步/異步電機(jī)的基本概念 如圖2所示，無刷直流電機(jī)由兩個(gè)同軸組件構(gòu)成，它們由空氣隔開。外軸套為定子，三相繞組安裝在定子的齒上。中間的組件是轉(zhuǎn)子，它由永磁或電磁材料制成。 轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的軸，因?yàn)榇判赞D(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)磁通量，電機(jī)繞組線圈切割磁力線產(chǎn)生電磁力(EMF)，從而在電機(jī)相線上將產(chǎn)生一個(gè)電壓。當(dāng)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，該電壓依然存在，其極性與驅(qū)動(dòng)電壓相反，因而稱之為反向電磁力。它與作用于電機(jī)的電能大小沒有關(guān)系，而與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)子磁通量以及相關(guān)繞組的匝數(shù)成正比例。反向EMF也是影響電機(jī)性能的原因之一。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，反向EMF(由于轉(zhuǎn)子磁通所產(chǎn)生的電壓)也增加，它與加在線圈上的電壓極性相反，使轉(zhuǎn)子中的電流降低，因此轉(zhuǎn)子的力矩和最高速度受到限制。 當(dāng)定子磁通量和轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速相同時(shí)，就稱為同步電機(jī)，三相無刷直流永磁電機(jī)就是一種同步電機(jī)。如果磁通量和機(jī)械轉(zhuǎn)速不等，就稱為異步電機(jī)。 一匝繞組線圈的反向EMF為：E=NF 整幅繞組(多圈)的反向EMF為：E=nNF 其中，E表示電壓，單位為伏特，N表示轉(zhuǎn)速，F(xiàn)表示磁通量，單位為韋伯。 對(duì)于給定的轉(zhuǎn)子磁通量，E和N的符號(hào)相同，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向決定了反向EMF的符號(hào)。當(dāng)磁通量最大時(shí)，E也最大，這個(gè)最大值對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)子由北極轉(zhuǎn)向南極的時(shí)刻。這意味著當(dāng)轉(zhuǎn)子磁通量與相位垂直時(shí)，反向EMF最大。 有用電功率(機(jī)械功率)為：Pe=EI 其中E表示反向EMF，I表示電機(jī)電流。 力矩為：C=kFI 其中I表示電機(jī)電流，F(xiàn)表示磁通量，k是比例常數(shù)。 電機(jī)功率為：Pm=CW 上式中W表示轉(zhuǎn)子角速度。 根據(jù)以上公式可以選擇最適合的電機(jī)。 利用反向EMF進(jìn)行無傳感器的控制 當(dāng)電機(jī)達(dá)到足夠的轉(zhuǎn)速時(shí)，可以使用反向EMF對(duì)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。用六步法就可使電機(jī)達(dá)到足夠的速度，但是六步法效率較低，所以一般不單獨(dú)用該方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。 在圖3中可以看到用于控制三相電機(jī)繞組電流的幾對(duì)開關(guān)。由于不能同時(shí)開啟同組的頂部和底部的開關(guān)，所以電流在電機(jī)中的實(shí)際流動(dòng)方向只有六種組合，其中任一電流組合都可以使轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)到與電極方向一致。轉(zhuǎn)子可以在六步內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的控制周期。 在反向EMF法應(yīng)用中，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)反向EMF值小到難以測(cè)量。使反向EMF足夠大的時(shí)間與電機(jī)和檢測(cè)電路有關(guān)。 在無激勵(lì)相的每一步進(jìn)中，反向EMF檢測(cè)讀取反向EMF過零時(shí)刻的狀態(tài)，如圖3所示。為了使電機(jī)效率最大，當(dāng)繞組中電流與該繞組中的反向EMF同相時(shí)，要進(jìn)行換向。當(dāng)反向EMF過零點(diǎn)時(shí)，要經(jīng)過一段時(shí)延才換向。當(dāng)繞組退磁后，控制周期重新開始。 下列三個(gè)事件要依次發(fā)生：1. 首先探測(cè)到反向EMF過零點(diǎn)。在這一點(diǎn)，處理器計(jì)算出延時(shí)，延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度隨轉(zhuǎn)速的變化而改變。隨著電機(jī)速度的增加，過零發(fā)生的時(shí)間越來越短，必須縮短過零和換向之間的延時(shí)。這一延時(shí)根據(jù)步進(jìn)速度和電機(jī)的延時(shí)系數(shù)計(jì)算。2. 延時(shí)后，電機(jī)進(jìn)行下一輪換向。3. 等待繞組退磁，繞組退磁后，立即重新起動(dòng)新的控制循環(huán)。 整個(gè)過程如下：1. 以六步模式起動(dòng)電機(jī)。2. 提升至可以探測(cè)到過零點(diǎn)的速度。3. 等待反向EMF過零時(shí)刻。4. 根據(jù)步進(jìn)時(shí)間產(chǎn)生時(shí)延。5. 執(zhí)行下一換向循環(huán)。6. 等待電機(jī)退磁。 這時(shí)再重復(fù)循環(huán)，由于