混合式直线步进电动机控制技术
航空放油阀通常采用旋转式有刷直流电机, 通过蜗轮蜗杆机构或者旋转丝杠结构驱动。这种机构经过一定传动比的减速以后, 输出力矩大, 通过直线位置传感器, 还可做到位置的xx控制, 并具有较强的断电锁紧力矩。但是, 直线运动机构体积大、重量重、传动效率低, 齿轮啮合存在机械磨损和“回差”,而且控制复杂, 可靠性不高。实际上, 飞机电液伺服阀、氧气浓缩器压缩阀、应急放油阀、电动活门、发动机油门杆、*等直线运动场合的负载推力并不大, 使用蜗轮蜗杆机构或者旋转丝杠结构仅仅希望能将旋转运动变为直线运动, 但却不适应飞机快速作动阀高可靠性、高灵敏度、高频响和直接驱动的性能要求。
混合式直线步进电机(Hybrid Linear Stepping Motor, HLSM ) 是一种将脉冲信号转换成直线运动的数字脉冲电机, 即使在开环条件下, 无须直线位移传感器, 也能够做到xx定位控制。该电机具有结构简单、行程长、耗电省、温升低、容易数字控制、无累积定位误差、惯性小、互换性强和可直接驱动等明显优点。
目前, 采用稀土永磁(REPM) 材料的直线混合式步进电机发展较快, 在绘图仪、计算机设备、机器人、精密仪表、传输设备、自动开门以及检测控制等领域已得到广泛的应用。而航空直线伺服系统要求具有可靠性高、维修性好、体积小、重量轻等特点之外, 还必须具有精度高、频响快、灵敏度高的优点, 所以研究高性能、高可靠性、高定位精度的直线步进电机具有实际意义。
1 基本特点与工作原理
直线步进电机按其电磁推力的产生机理可以分为变磁阻式和混合式两种。前者结构简单、成本低,缺点是无定位力矩, 不宜微步控制, 推力仅靠磁路不对称提供, 数值偏小, 力矩波动大。而混合式直线步进电机在加入稀土永磁材料以后, 即使在断电的情况下, 永磁体也能够产生一定的锁定力矩, 并可保持动子在期望的步距位置上。在相同体积情况下产生的推力要比磁阻式直线步进电机大, 容易实现微步控制, 而且控制步距对参数不敏感, 一致性好。通常混合式直线步进电机采用细分技术可实现较高的平稳性, 能大大减小推力的波动, 比较适合在体积重量要求严格的航空航天领域使用。
混合式步进直线电机的磁场推力不仅和各相绕组通入的脉冲控制电流有关, 还和内部存在的固定永磁磁场大小有关。随着各相绕组中控制电流发生变化, 使得各极下的磁场位置发生变化, 从而带动步进电机动子产生直线步进运动。一般步进电机的步距角(位移分辨率) 与齿距、运行拍数和相数有关。
两相平板型混合式直线步进电机的基本结构如图1 所示。在图1 中, 定子由开有等距齿槽的叠片铁心组成, 动子由{yj}磁铁和电磁铁EMA 与EMB 组成。电磁铁EMA 上安放集中绕组A , 具有1 和2 两个磁极, 电磁铁EMB 上安放集中绕组B, 具有3 和4 两个磁极, 4 个磁极上还有几个平行齿(图1 中为2 个齿, 且定子和动子齿距相等)。当绕组没有电流时, {yj}磁铁向所有的磁极提供了大致相等于Φ/2的常值磁通(Φ是{yj}磁铁提供的总磁通)。
如果让A 相绕组通入余弦电流, 同时让B 相绕组通入正弦电流(如图2 中虚线所示) , 则在0～ π/2范围内, 线圈B 中的电流从零逐渐增加到{zd0}, 使得极4 下的磁通由Φ/2 逐渐增大到它的{zd0}值Φ ,而极3 下的磁通逐渐由Φ/2 下降到零。同时极1 的磁通随着A 相电流下降而下降, 配合线圈B 使动子平滑均匀地向右移动。由于磁通具有力图通过磁阻最小路径的原理, 所以电流由大到小交变一次, 动子就严格地移动1 个齿距。
当A 相电流由{zd0}值下降到零,B 相电流由零上升到{zd0}值时, 动子沿平行轨道推进了1/4 个步距角; 如果A 相电流由{zd0}值下降的同时, B 相电流由零开始上升, 当它们的值达到相等时, 则动子正好对应地移过1/8 个步距角。
2 控制系统构成与平稳控制方法
本系统采用基于AT 89C2051 单片机为核心的数字控制技术。其控制系统硬件主要包括: 单片机CPU、细分控制驱动电路A 3957SLB、光电隔离与信号调理电路、系统保护电路、“看门狗”电路等。系统构成原理如图3 所示。
为了实现混合式直线步进电机在运行中的平稳性, 在控制上采用了细分控制策略。其控制方法是在每个齿距下, 对两相直线步进电机绕组按细分规律通电, 采用每个整步距下逐渐变占空比的PWM 恒流控制办法。即: 让一相绕组的PWM 占空比按正弦规律由大变小, 另一相绕组的占空比按余弦曲线由小变大。这种逐渐过渡的变占空比控制方法可使电机磁势幅值均匀变化, 出力均匀, 从而实现平稳运行。如果每个整步(不细分) 的细分步数为N , 则在每个输入脉冲下步进电机运行步距为不细分时步距的1/n , 从正、余弦波形来看, 细分数n 取偶数容易做到半周期等细分, 一般取n = 2n (n = 1, 2,…,k) , k 为正整数。本系统单片机为8 位, k {zd0}为8,则n {zd0}为256。但是细分数过多, 电机快速运转时容易出现“丢步”或“越步”, 直线位移不准确。
直线电机在运行时, 必须考虑末端冲击问题。为此, 本系统采用末端自动改变控制脉冲信号频率的方式进行变速控制。因为电机速度与控制脉冲频率成正比, 如果电机加/减速控制脉冲频率采用便于单片机计算处理的二次连续函数, 则可实现电机连续升/降速控制, 并在行程范围内, 确保速度曲线光滑变化, 减小动子运动到行程末端的机械冲击。由于该步进电机驱动的是直线运动阀门的“开度”, 一般由于运动中间过程中无累积误差, 所以本方案采用稳定、简单、可靠的开环控制策略, 只要步进电机运行不越步、不失步, 就可实现系统的高精度位置控制,从而省去了体积庞大的直线位移传感器。而在电机变速控制的过程中, 采用恒流斩波控制可实现电机的恒推力驱动。
3 系统硬件设计
本系统控制采用内置1k 一次性烧写ROM 的8 位微型单片机A T 89C2051。该单片机用于完成系统起/停、正/反转指令的接收, 左右霍尔传感器末端“到位”信号(位置信号1、2) 以及系统“过流”检测,变频驱动脉冲的产生与计数等任务。而细分控制驱动电路(A、B) 采用A llegro 公司的A 3957SLB 表贴芯片。该芯片将微步控制与H 桥功率器件集成在一起, 是一种具有16 细分功能的两相步进电机专用驱动芯片。一片可以用来驱动一相电机绕组, 工作电压{zg}可达50V , 电流达1. 5A , 易于与单片机接口, 节约了单片机的软件开销, 每相绕组硬件细分驱动电路如图4 所示。看门狗电路采用MAX831L 芯片, 可用于软件程序“跑飞”时进行PC 指针复位, 提高软件的抗干扰能力和可靠性。
在电机开始按照给定的方向运行时, 单片机输出的控制脉冲频率从10Hz 开始使电机加速运行,同时实时计数电机运行的脉冲数, 并根据测定电机已走过的步进脉冲数与行程范围内的总步进数进行比较, 计算剩余步数, 以确定电机的当前位置状态。当电机从一端向另一端运行时, 一旦A T 89C2051检测到位置信号1、2 的左右限位信号, 单片机软件将通过中断程序自动实现输出控制脉冲的变频调速, 进行降速控制, 减小电机末端的机械冲击。在行程范围内, 电机加/减速平滑过渡曲线如图5 所示。
为了防止主功率电路上下管“直通”或电机堵转等引起的功率开关器件过流损坏, 系统采用了防止过流截止保护技术。电流检测直接采样直流母线上取样电阻R 1 两端的电压值。为了确保采样值的xx, 该采样电阻使用1% 精度的的精密电阻。一旦电流超过功率电路允许的设定值, 系统将迅速关闭A 3957SLB 控制脉冲信号, 以快速锁定内部功率开关器件, 使系统进入过流截止保护状态。
4 实验结果
该系统额定电压28V DC, 额定电流0. 5A , 额定输出推力650g, 电机行程14. 5+1.5mm , 运行速度11. 33mm/s, 重量1.2kg, 工作制式为长期, 步距角为0. 9/1. 8°, 绕组相电阻为2. 75Ω , 电感为5. 75mH。如果在一相绕组中串联1 个0.1Ω的小取样电阻, 让电机驱动控制器分别工作在16 细分和不细分2 种状态下, 用示波器测此电阻两端的压降, 可得到16 细分时绕组相电流波形如图6, 电机的相电压如图7 所示。
电机不细分时相电流波形如图8, 末端减速控制脉冲波形如图9 所示。从图8 可知, 电机不细分控制时电流波形不如细分控制光滑, 推力脉动较大。图9 表示电机的步进脉冲控制频率明显减小, 起到了降速作用。
在28V 额定电压和0. 5A 的额定电流下, 采用弹簧秤测得该直线步进电机的拉力与速度(步进频率) 曲线如图10 所示。
5 结论
经过对实验数据分析, 可得出如下结论。
(1) 该电机在速度从1.5mm/s 到11. 4mm/s 的宽变化范围内, 在恒电流下几乎呈恒推力(恒拉力)机械特性。
(2) 在细分状态下, 电机相电流波形光滑连续,运行平稳性明显增强。如果负载不大于额定值, 则无丢步或越步现象, 控制定位精度较高。
(3) 为了防止失步或丢步, 安装在电机两端的霍尔位置传感器可作为行程末端的位置限位信号。单片机接到限位信号, 由中断处理程序自动执行降速过程, 可有效抑制电机末端的机械冲击和噪声。
(4) 系统充分地利用了微型单片机AT 89C2051的硬件资源, 控制电路简单, 开环控制无累积误差,可作为航空伺服阀“开度”控制的直接驱动部件。
