混合式步进电动机恒总流驱动系统的稳态仿真

    王宗培，程  智，史敬灼，任  雷

    (1．哈尔滨工业大学，黑龙江  哈尔滨  150001；2．清华大学，北京  100084)

摘要：阐明了五相混合式垣频斩波恒总流步进电动饥系统坊真的主要问题，对斩波过程主电路拓扑结构变化作了细致分析，建立了完整的系统仿真模型。仿真结果与实测基本一致，说明模型足可靠的。

关键词：五相混合式步进电动机；恒．总流驱动：系统仿真

1  引  言

    步进电动机的稳态运行特性，主要指它的牵出持性，是对步进电动饥、步进电动机驱动器及步进应用系统设计和优化的目标和依据。所以建立有效的稳态运行分析模型很蘑要，一直受到重视。但是，由于步进电动机的结构及运行条件都区别于常规的电动机，再加上步进电动机有各种不同的相数、不同的绕组联接、不同的通电方式、不同的驱动主电路结构和控制方法等，使得问题复杂化，至今想要建立一个统一的通用分析模型的时机尚不成熟。到目前为止研究得较多，具有较为完善的分析模型的足二相混合式步进电动机定电流驱动系统。同样是主流产品，应用很广的五相混台式步进电动机系统，则相差很远，至今还没有完善的分析模型。作者曾经在给定驱动器功放级电压幅值，给定绕组电压波形的情况下，建立过五相混合式步进电动机的稳态仿真模型。它大体上可以适用于国内应用的升频升压驱动的情况，事实上即使满足这种驱动条件，也还有很大的局限性。

    本文首次阐明了恒频斩波恒总流五相混合式步进电动机系统仿真的主要问题，建立了完整的系统仿真模型，设计了相应的系统仿真软件。并通过实验校验证明所建模型的正确性，为五相混合式步进电动机系统的研究和设计捉洪了重要的基础。

    恒频斩波恒总流这一驱动方式是步进电动机高性能驱动理论研究的主要方向，该系统的结构如图1所示。该系统可以分解为主电路和控制电路两部分。主电路包括电机绕组电路及功放级电路；控制部分包括电流反馈环节和控制环节。

2电流反馈环节

    由采样电阻上取出的总电流信号需经过滤波才能送入比较器与给定信号进行比较。这里所说的“电流反馈环节”即指采样电阻和电流反馈滤波电路。恒总流控制方式中的电流反馈滤波电路不同于简单的rc滤波，图2给出了一种典型电流反馈环节的结构。其中二级管d_i起到了重要的作用。当采样电阻压降u_i与输出端电容电压u0比较而言足够高时，d_i

导通,u_i通过100ω的电阻向电容充电。当u₀较高电容放电时则是通过4．4kω电阻进行的。充、放电回路的不同，使输出端电容电压u₀的波形趋向于电流波形的****值，即其包络线。如图3实测电流波形及反馈电压u₀波形所示。因而，对这一环节仿真的重点在于充、放电回路的不同。具体来说，根据d_i状念可以有两个不同的时问常数：

    显然，时间常数为τ_on时可以得到较快的充电过程。放电时，时问常数则只能是τ_off。在仿真中，d_i的通、断状态可以根据u_i与u₀的大小关系实时判断。相同运行状态下得到的总电流和反馈电压仿真波形如图4所示，与图3基本一致。

3  控制环节

    电流反馈与给定进行比较得出的误差信号经控制环节处理，得到相应的控制信号。恒频斩波恒总流步进电动机系统中，所需的控制信号是具有可控占空比d的恒频pwm脉冲信号。pwm脉冲由三角波发生器和一个比较器产生，而控制环节的输出电压作为比较器比较电平输入，调节pwm脉冲的占空比d。不考虑三角波的非线性，可以认为如下关系成立：

    d=pu_r    (3)

式中  p——恒定比例系数，1／v

    u_r——控制环节的输出电压，v

    控制环节通常采用比例(p)或比例积分(pi)训节器，分别满足如下规律：

式中uerr<