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1、 1 绪 论 1.1 引言 步进电动机一般以开环运行方式工作在伺服运动系统中，它以脉冲信号进行控制，将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。步进电动机可以实现信号的变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。由于其控制系统结构简单，控制容易并且无累积误差，因而在 20世纪70 年代盛行一时。80 年代之后，随着高性能永磁材料的发展、计算机技术以及电力电子技术的发展，矢量控制技术等一些先进的控制方法得以实现，使得永磁同步电机性能有了质的飞跃，在高性能的伺服系统中逐渐处于统治地位。相应的，步进电机的缺点越来越明显，比如，其定位精度有限、低频运行时振荡、存在失步等，因而只能运用在对速度和
2、精度要求不高，且对成本敏感的领域。技术进步给步进电动机带来挑战的同时，也带来了新的发展遇。由于电力电子技术及计算机技术的进步，步进电动机的细分驱动得以实现。细分驱动技术是 70 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。实践证明，步进电机脉冲细分驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。由于电机制造技术的发展，德国百格拉公司于 1973 年发明了五相混合式步进电动机，又于 1993 年开发了三相混合式步进电动机。根据混合式步进电动机的结构特点，可以将交流伺服控制方法引入到混合式步进电机控制系统中，使其可以以任意步距角运行，并且可以显著
3、削弱步进电机的一些缺点。若引入位置反馈，则混合式步进电机控题正是借鉴了永磁交流伺服系统的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步进电机驱动器。1.2 步进电机及其驱动器的发展概况按励磁方式分类，可以将步进电动机分为永磁式（PM） 、反应式（VR）和混合式（HB）三类，混合式步进电动机在结构和原理上综合了反应式和永磁式步进电动机的优点，因此混合式步进电动机具有诸多优良的性能，本课题的研究对象正是混合式步进电机。20 世纪 60 年代后期，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近 30 年间，步进电动机迅速的发展并成熟起来。从发展趋势来讲，步进电动机
4、已经能与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。特别是混合式步进电动机以其优越的性能（功率密度高于同体积的反应式步进电动机 50）得到了较快的发展。其中，60 年代德国百格拉公司申请了四相（两相）混合式步进电动机专利，70 年代中期，百格拉公司又申请了五相混合式步进电动机及驱动器的专利，发展了性能更高的混合式步进电动机系统。这个时期各个发达工业国家建立了混合式步进电动机规模生产企业。此外，1993 年，也就是五相混合式步进电动机及驱动器专利到期之时，百格拉公司又申请了三相混合式步进电动机的专利。步进电机具有以下优点：（1）步距值不容易受各种干扰因素的影响。它的速
5、度主要取决于输入脉冲的频率，转子运动的总位移取决于输入的脉冲总数，相对来说，电压大小、电流数值和温度的变化等因素不影响步距值；（2）无位置累积误差。步进电动机每走一步的实际步距值与理论值总有一定的误差，走任意步数之后也总有一定误差，但是因每转一周的累计误差为零，所以步距值的误差是不累积的；（3）控制性能好。改变通电顺序，就可以方便的控制电动机正转或反转，起动、转向、制动、改变转速及其他任何运动方式的改变都可以在少数脉冲内通过改变电脉冲输入就能控制，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步；（4）步进电机还有自锁能力，当步进电机停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续保持通电时，则电
6、动机可以保持在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，能够实现停车时转子定位。因此，步进电机在机械、冶金、电力、纺织、电信、仪表、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天等工业领域获得了广泛的应用。例如机械行业中，在数控机床上的应用，可以算是典型的例子。可以说步进电动机是经济型数控机床的核心。我国的步进电机行业起步较早，但大多都是反应式步进电动机，直到目前，仍有许多国内用户使用反应式步进电机。混合式步进电机的特点是效率高、力矩大、运行平稳、高频运行时矩频特性好，在发达国家中，越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式步进电机，步进电机驱动技术的发展也十分迅速。我国步进电机的应用虽然起步较早，但其驱
7、动技术的发展相对落后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。国内仍有不少用户沿用己被国外淘汰的单电压串电阻等落后的驱动方式，驱动器电路中使用分立元件居多，可靠性差，且各厂家的驱动技术规范、技术等级、生产工艺参差不齐。目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩下降较小。1-3 步进电机驱动技术的进步离不开电力电子技术和微机控制技术的发展。交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速系统的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了
8、技术和物质条件。电力电子器件及微处理器是高性能交流传动系统和现代电力电子设备的核心。电力半导体器件以开关阵列的形式应用于电力变流器中，把相同频率、或者是不同频率的电能进行交-直（整流器）、直-直（斩波器）、直-交（逆变器）和交-交变换。电力电子器件经历了以下几个发展阶段：第一个阶段是20 世纪 80 年代中期以前，是以门极不可关断的晶闸管（Thyristor）为代表的半控型器件，这种在 20 世纪 50 年代晚期出现的器件使得固态电力电子器件进入了一个新纪元。晶闸管主要用于直流电动机的驱动器中，必须配以辅助换流措施才能实现可靠的换流，控制线路复杂、效率低、可靠性差，而且开关频率低，使得变频电源
9、中含有大量的谐波分量，转矩脉动大、噪声大及发热严重。第二个阶段是 20 世纪 80 年代中期到 90 年代，是以门极可关断晶闸管（GTO）、双极型晶体管（BJT）、电力场效应晶体管（P-MOSFET）等为代表的全控型器件。如今 GTO 产品的额定电流、电压已超过 6kA、6kV，在 10MViA 以上的特大型电力电子变换装置中已有不少应用，但其为电流驱动，故所需的驱动功率较大；BJT已模块化，在中小容量装置中得到推广，但其驱动功率较大，开关速度慢，影响了逆变器的工作频率和输出波形；MOSFET 开关速度快，驱动功率小，电压型控制，但器件功率等级低，导通压降大，限制了逆变器的容量。第三个阶段是
10、20 世纪 90 年代，是以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型功率器件，主要特点为门极电压控制，故其所需驱动功率较小。IGBT 结合了MOSFET和 BJT的优点，具有高开关频率，门极电压驱动，不存在二次击穿问题，无需吸收电路，又具有 BJT大电流密度，低导通压降的特性。新一代的智能功率模块（IPM）集功率器件 IGBT、驱动电路、检测电路和保护电路于一体，实现过流、短路、过热、欠压保护，模块包含三相桥逆变器，从而使装置体积缩小，可靠性提高。20 世纪 90 年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，这里只介绍一下电力半导体家族中的最新成员集成门极换向晶闸管（Integrated
11、gate-commutated thyristor），它是ABB公司于1997年发明的，它基本上是一种高压、大功率、非对称截止 GTO 晶闸管，其关断电流增益为1，可见其驱动功率之小。该器件的导通压降、开通di/dt、门极驱动损耗、少数载流子存储时间和关断dv/dt据称都优于GTO晶闸管。器件更快的开关速度使得无缓冲器运行成为可能，也使其开关频率高于GTO晶闸管。多个 IGCT 可以串联或并联成更高功率的应用。该器件已经用于电力系统的联网设备（100MViA）和中等功率（高达5MW）工业传动中。4-6全数字化是交流调速系统的发展趋势。交流调速系统最初多为模拟电子电路组成，由于模拟电路固有的弊端
12、，决定了很多控制算法很难在系统上实现。近几十年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器（DSP）为控制核心的计算机控制技术的飞速发展和广泛应用，许多复杂的控制算法得以实现，如矢量控制中的复杂坐标变换、解耦控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，这些是模拟电路无法做到的，可以毫不夸张的说以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。常用于交流调速系统的微处理器简介如下。(1). 单片机。一片单片机芯片就是一台微型计算机，其上集成有用户需要的一些外设，如定时/计数器、D/A、A/D等，这样就大大缩小了控制器的体积，降低了成本，提高了可靠性。然而单片机对大量数据的
13、处理能力有限，因此只用于一些对性能要求不高的场合。(2). 数字信号处理器（DSP）。为了提高运算速度，在20世纪80年代出现了数字信号处理器，其上一般集成有硬件乘法器、时钟频率很高，一些高性能的DSP 还支持浮点运算。世界各大 DSP生产商还推出了集成有PWM 生成硬件、A/D、正交编码电路等专门针对于电机控制的DSP 芯片，常见的如 TI 公司的 C2000系列。电机控制专用的 DSP芯片使控制系统硬件简化，性能和可靠性得到了空前的提高。(3). 高级专用集成电路（ASIC）。ASIC也称为适合特定用途的 IC，是能完成特定功能的专用芯片。 例如用于交流变压变频用的SPWM波发生器HEF4
14、752 （英国Mullard公司产品，适用于开关频率 1kH 以下 ）、SLE4520（德国西门子公司产品，适用于开关频率 20kH以下）。现代高级专用集成电路的功能远远超过一个发生器，往往能够包括一种特定的控制系统，例如，德国应用微电子研究所（IAM）1994 年推出的VECON，是一个交流伺服系统的单片矢量控制器，包括控制器，能完成矢量运算的 DSP 协处理器、PWM 定时器，以及其他外围和接口电路，都集成在一片芯片之内，使可靠性大幅度提高。2 混合式步进电动机的原理及其驱动控制 三相混合式步进电动机与反应式和永磁式步进电动机相比，具有很多优点，获得了越来越广泛的应用。电流闭环、三相正弦电
15、流驱动是三相混合式步进电动机常用的驱动方式。 2.1 三相混合式步进电动机的结构和工作原理 2.1.1 三相混合式步进电动机的结构 混合式步进电动机是一种十分流行的步进电动机。它既有反应式步进电动机的高分辨率，每转步数比较多的特点，又有永磁式步进电动机的高效率，绕组电感比较小的特点，故称混合式。图2-1 给出了三相混合式步进电动机的内部结构图及其定子结构图。从结构上看，它的定子通常有多相绕组，定、转子上开有很多齿槽，类似反应式步进电动机。转子上有永久磁铁产生的轴向磁场，这与永磁式步进电动机相似。图2-1三相混合式步进电机内部结构图及定子示意图Fig.2-1Three-phase hybrid
16、stepping motor and the stator internal schematic diagram混合式步进电动机的转子一般由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子的铁心外圆周有均匀分布的小齿，两段铁心上面的小齿沿圆周相互错开半个齿距。定、转子小齿的齿距通常相同。一段转子的磁力线沿转子表而呈放射形进入定子铁心，称为 N极转子，另一段转子的磁力线是从定子沿定子表面穿过气隙回归到转子中去的，称为 S极转子。可见，通过转子分段错齿和转子轴向永磁励磁，三相混合式步进电机在结构上巧妙的实现了多极对数永磁凸极同步电机的思想，从原理上讲是低速凸极永磁同步电机。可见，混合式步进电动机既可以用作同步电动机进行速度控制，又可以用作步进电动机进行位置开环控制。7-92.1.2 三相混合式步进电动机的工作原理 图 2-2 给出了一台简单的三相混合式步进电动机的横截面示意图。图中三相混合式步
