摘要：研究了利用谐波反电势信号实现混合式步进电动机闭环控制的方法，分析了谐波反电势信号的构成，设计了相应的位置信号检测电路及步进电动机的微机控制系统。在此基础上通过控制超前角改善电机的运行性能。

关键词：混合式步进电动机，谐波反电势，自同步运行，超前角

中图分类号：tm383.6    文献标识码：a    文章编号：1001-6848(2000)01-0017-04

    在开环控制系统中，步进电动机的运行频率是由信号源给定的，不受系统负载变化的影响。对应于一个固定的频率，步进电动机相绕组的外加电压与旋转电势之间的相位差随着负载的大小而变化。当负载较小时，系统往往会因为电磁能量过剩产生转子振荡，消耗过剩的电磁功率；而在负载较大时，会因为电磁能量不足使电磁力矩小于受载力矩而失去同步。在闭环控制系统中，以转子位置的特定信号控制绕组进行状态转换，不会出现开环运行所存在的振荡与失步的问题。就开环运行本身而言，外加电压与旋转电势相位差随负载的大小而变化是一种电磁能量的自调节，但有时因为负载惯性很大或负载突跳等因素也会造成不稳定运行。在步进电动机自同步闭环运行系统中，用位置信号控制相序转换，使旋转电势与外加电压的相位保持一定的差值，通过运行速度的变化来调整电磁力矩和负载力矩的平衡关系。本文主要介绍利用谐波反电势信号实现四相混合式步进电动机位置闭环自同步运行的方法。基于时间延迟的控制思想，系统采用微处理器灵活、方便地控制超前角，改善电机的运行性能。

    文献[1]提出了一种利用谐波反电势信号实现步进电动机转子位置检测的新方法，推导出谐波反电势的表达式如下：

    式(1)中第一顼为转子永磁作用的结果，与电机的通电状态无关，后两项是定子绕组励磁产生的影响。由于am+2ao》2a4，因此第三顼的8次谐波幅值很小。可见，传感器的输出信号是两个正、余弦4次谐波信号的叠加，其中的余弦成分与定子绕组电相电流的幅值有关。当定子绕组开路，电机被拖动旋转时，定子绕组相电流，-0使传感器的输出仅含式(1)中的第一项。它是一个标准的正弦波，其幅值和周期随转速而变（如图1所示）。

   当电机通电运行时，由于im随频率的升高逐渐减小，因此余弦成分所占的比例也逐渐变小。图2为电机以4拍4-4通电方式运行时，不同频率下外加脉冲信号与传感器输出信号间的对应关系。由图2可见，低频时传感器输出信号的过零点基本与外加脉冲信号的上升沿同相；当频率升至2khz时，传感器输出信号的过零点超前外加脉冲信号r/2电角度。实验结果证明了理论分析的正确性，也为电机闭环控制时有效、方便地调节超前角提供了依据。

    传感线圈提取的反电势信号不能直接驱动环形分配器，需将正弦波信号变换成脉冲信号，经单稳态触发器整形后作为位置与速度信号，其电路如图3所示。

   

    图3中以比较器lm393为核心构成了具有滞回特性的单电源检零电路。可变电阻vrz从输出端引一个电阻分压支路到比较器的同相输入端，使过零输出离开零的位置，出现滞回特性，以避免比较器的输入电压恰好在过零附近，由于零点温漂的存在其输出将有多个正负极性的极限电压出现，造成多个假零点。调节vrz可以改变回差的大小，解决回差引起的测量精度和零引起的不稔定的矛盾。电容cl用于提高输出电平的转换速度。保护二极管d1用于防止输入小于-0. 6v。电位器vri用于节比较电平的值，为减小检零误差应选择vr1≤r4/10.555定时器构成的单稳态触发电路用于去除脉冲前沿的抖动，以避免电机运行中的误动作。