[发明专利]混合式步进电机转子转速控制系统和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及混合式步进电机，特别是涉及一种混合式步进电机转子转速控制系统 和控制方法。

背景技术

在众多的步进电动机中，混合式步进电机不仅具有磁阻式步进电动机步距小、运 行频率高的特点，还具有永磁步进电动机消耗功率小的优点，而且具有输出转矩大等 优点，因而获得广泛应用。

但由于混合式步进电动机设计结构上的特点，导致该种电动机采用简单的开环控 制时阻尼系数很小，转子旋转振荡厉害。尤其中频振荡限制了电动机调速范围和动态 响应速度。这样一来，在要求宽调速范围、快速响应的场合，简单的开环控制混合式 步进电动机驱动系统的应用受到了限制。而对于那些要求控制策略简洁、成本要求低 下的系统而言，采用开环控制的混合式步进电动机又是有利的。

改善开环控制混合式步进电动机的欠阻尼特性可利用机械阻尼和新增无功器件的 方案。但这些方案不仅使系统设计复杂，而且降低了效率和增加了系统成本。另外， 机械阻尼也会因负载大小变化而变化。

美国专利4455520公开了一种稳定步进电动机的方法。该专利检测流入电动机的 瞬时功率，并据此实时调节电动机电流波形的相位，从而实现步进电动机中频区稳速 运行。美国专利4675590公开了一种具有中频稳定控制的步进电动机驱动。该专利利 用带通滤波器从电流中提取误差信号，反馈系统基于该误差信号实现输入脉冲的延时， 从而抑制开环控制步进电动机中频区运行时的不稳定性。美国专利4683409公开了一 种步进电动机运行稳定性控制方法。该专利利用一个脉宽调制器控制步进电动机的脉 冲发生器实现步进电动机的稳定运行，脉宽调制器的输入之一是周期性脉冲信号，另 一个输入端是误差校正信号。误差校正信号与电流和的平均值成正比，利用误差校正 信号对前述周期性脉冲的占空比进行调制，从而产生一些列占空比变化的脉冲序列， 实现步进电动机稳定运行。

实际上从步进电动机的运动方程式可以清楚地看出影响转速控制性能的关键因数 是转矩，只有从转矩控制入手，才能彻底消除转子振荡，但上述这些专利均没有做到 这一点。美国专利5847535公开了一种主动的混合式步进电动机电子阻尼方法。该专 利利用两个电路分别检测步进电动机定子绕组端电压和绕组中流过的电流，从而间接 模拟出转矩信号，利用该转矩信号构成加速度闭环控制结构，实现转子旋转振荡的抑 制。

上述四个专利均采用绕组电流闭环控制结构，控制定子电流幅值恒定的同时，控 制定子绕组电流的周期即可控制转子转速，而这种电周期的控制与外部的脉冲保持同 步。在电流幅值恒定的情况下，正确地对电流相位进行实时控制即可抑制转子振荡。 上述四个专利均是在绕组电流幅值控制为恒定值的假设前提条件下，利用校正信号最 终影响绕组电流相位，以达到抑制转子旋转振荡之目的。

但实践证明，包括上述四个专利在内的现有技术存在如下两个缺点：

缺点一：采用绕组电流闭环控制结构对步进电动机中低速运行区效果虽然较好， 但对高速区域内转子振荡的抑制作用较小。实际上混合式步进电动机转子上具有永磁 体，转子旋转过程中在定子绕组中会产生反电动势，这种反电动势的幅值与转速成正 比。而控制定子绕组电流的功率电路一般采用全桥直-交逆变器拓扑，外界的直流母线 电压是恒定的。这样电动机处于中低速运行时，实际定子绕组电流可以实时跟踪给定 电流，但当电动机处于高速运行时，由于较大的反电动势作用，致使实际绕组电流无 法跟踪恒定幅值的电流给定。这样高速区域内电流的幅值与相位完全取决于电动机的 负载情况，电动机始终处于最大绕组电压下运行，逆变器对定子绕组电流的控制作用 消失。而且当电动机运行于高速区时，定子绕组电流含有很多谐波成分，这些谐波直 接影响电动机的稳定运行，所以在高速区电流闭环控制不能达到很好的效果。

缺点二：现有技术在抑制转子旋转振荡时所采用的控制变量(如US4455520中的 瞬时功率、US4675590中的电流误差信号、US4683409中的电流和的平均值、 US5847535中的模拟转矩信号)的获得方式或者是比较复杂、成本较高，或者是不能 适于高速区，因而需要进一步改进。

发明内容

本发明目的之一是弥补上述现有技术的缺点一，提出一种混合式步进电机转子转 速控制系统和方法，在中高速区仍能对转子的进行有效控制。

本发明的次一目的是弥补上述现有技术的缺点二，以较低成本抑制开环控制混合式 步进电机转子的旋转振荡。