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基于DSP的无传感器进行步进电机转矩直接控制的试验和仿真林伟杰
基于DSP的无传感器进行步进电机转矩直接控制的实验和仿真
林伟杰
杭州电子大学自动化学院 310018,杭州,中国
L2j310@163.com
桌正
浙江大学电气学院 310027,杭州,中国
Janejediz@
摘要-这篇文章介绍了混合式步进电机直接转矩控制(DTC)。由于结构的特点,步进电机经常用开环控制。但是,传统的步进电机平均转矩控制策略会导致转矩和速度的波动。因此,转矩必须即时控制以提高步进电机的性能。首先,步进电机的开环控制被分析。为了得到优秀的性能,步进电机的加速和减速曲线必须预先计算出。其次,交流电机的直接转矩控制被引入混合式步进电机的控制。定子电压空间矢量对定子礠链和转矩的影响也做了细致的分析。最后,一个基于DSP-TMS320F240的混合式步进电机的无传感器直接转矩控制系统被建立了起来。仿真和实验鉴证了该系统的可行性。
关键词——混合式步进电机,开环控制,直接转矩控制,无传感器,DSP
简介
步进电机不用位置和速度传感器时使用开环控制,这是工业应用中的常用方法。它的缺点也是很明显的:噪音大,有扭矩和速度波纹,在一些频率范围容易产生共振,更坏的产生失步[1][2]。所以通常用于低成本和不需要很高性能的环境下。
直接转矩控制(DTC)是一项交流驱动的高技术[3][4]。其基本原则是直接选择合适的定子电压空间矢量根据实际之间的差异和转矩和定子磁链参考。砰砰控制器和开关使用,而不是PWM电流控制器。 F0必须根据T0 TL和步进电机的启动选择。TL是负载扭矩。
第二,加速,减速和fm被步进电机的输出转矩限制。步进电机在特定负载下的输出转矩的能力如图,这个图由步进电机和它的驱动决定。通常的输出扭矩图如图2.
由于开环控制和失步,选择的输出扭矩必须根据负载留有余量,就像曲线2在图2中显示的,三条直线逼近输出扭矩曲线2.它可以如下表达
加速和减速计算
步进电机的开环控制应该考虑运转频率和极对数的关系。加速曲线如图3所示。
细致计算如下:
决定启动频率f0,f1在第一条直线的底部,f2在第二条直线的底部,并决定fm.
启动步数的加速度是
第二步的启动频率是
第二步的加速度是
第三步的启动频率是
2)和3)重复直到ff1.类似的,其它两条直线的步频率也能被计算出来。因此,加速曲线被获得。
混合式步进电机的直接转矩控制
考虑到三相混合式步进电机的Y绕组,启动电压是
其中,,和是电压空间矢量,电流矢量,定子阻抗,是定子礠链空间矢量。
混合式步进电机的礠链空间矢量如图4.[6][7]我们都知道混合式步进电机的定子礠链包过两部分:一个是来自定子电流,一个是永久磁铁和定子之间空气气隙间的感应礠链。因此,定子礠链矢量和定子或电流电压是不重叠的。
扭矩表达如下:
或者
很明显,当前矢量垂直于礠链矢量时有扭矩,当前矢量与礠链矢量同相时没有扭矩。
定子礠链和扭矩的控制
电压源变极器的结构如图5所示。板桥的一个上臂和下臂一次只能接通一个,因此,八个电压空间向量能够依照Sa,Sb,Sc的状态转换:六个电压有效,2两个是零电压。八个电压空间向量如下
其中Vdc是dc端电压,2/3是派克变换因数。
通过(6),定子礠链是
Rs很小,以至于定子礠链需要定子电压向量的积分。因此,礠链矢量旋转的同时,电压矢量也跟着旋转。通过选择合适的电压向量,定子磁通链的旋转和振幅可以被控制,如图6所示,它是一个简单的有效的定子礠链控制。
对于混合式步进电机,Ld=Lq,从(7)和(8)得到
其中p是混合式步进电机的磁极,是永久磁铁的礠链,Ld和Lq是d轴和q轴的自感应系数,是定子礠链和转动体磁链的角度。
(11)中,因为是一个常量,扭矩是与定子磁链的振幅和角度成比例的。如果定子磁链的振幅保持不变,扭矩只与有关。因为扭矩的机械时间常数比电气时间常数大得多,扭矩能迅速的根据调整定子磁链矢量角进行修正。
电压空间矢量的选择
定子的旋转周期通过基本的电压矢量分为6个部分,如图6.
通过砰砰控制器的比较结果,“0”代表比上线大,“1”代表比下线小,因此,混合式步进电机的直接转矩控制转换表如表1所示。
仿真
A.系统构造
混合式步进电机的直接转矩控制框图程序如图7所示。
DC端电压和两相电流被探测,并送到混合步进电机模型。因此,真实的定子磁链和扭矩被估算出。对于混合步进电机,初始的定子磁链不是零。这篇论文的第三部分中砰砰控制器和转换表做了分析。
B.混合步进电机的直接转矩控制的仿真
混合式步进电机直接转矩控制的仿真用MATLAB/Simulink进行。结果如图8和图9.
混合式步进电机的仿真数据表2所示。仿真时间是0.1秒,扭矩限制是15N.M.
.图8显示了系统在负载在10N.M,速度设置为250rad/s的情形。启动时间从速度为0到250rad/s大约用了0.04秒,如图
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