混合式步进电动机的谐波电磁转矩分析
步进电动机的工作原理与特点
步进电动机的工作原理及特点随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。
研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
1 步进电机概述步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。
步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。
步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。
当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。
因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。
每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。
根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。
步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。
2国外的研究概况步进电机是国外发明的。
中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。
基于SPC1068的步进电动机可控转矩矢量控制
詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪詪
驱动控制 rive and control
摇詪詪摇
基于 SPC1068 的步进电动机可控转矩矢量控制
吕常智,韩摇 鲁
( 山东科技大学,青岛 266590)
摘摇 要:步进电动机在运行过程中存在低频振荡和失步现象。 以 SPC1068 作为主控芯片,将两相混合式步进 电动机转矩作为可控变量,通过计算获得达到预期转矩的最优交、直电流,进行矢量控制和 PWM 控制,向电机绕组 施加控制电压。 通过增量式旋转编码器,将转子位置实时反馈给主控芯片,实现对电机转矩、电流的双闭环控制。 仿真结果证明,通过对电机转矩进行有效控制,能保持电机运行状态稳定,有效抑制电机低频振荡、失步堵转的现象。
步进电动机振荡和失步现象可通过控制转矩得 到解决。 通过矢量控制能对步进电动机转矩进行有 效 控 制, 是 步 进 电 动 机 高 性 能 控 制 的 重 要 手 段[13-16] 。 本文以高性能控制芯片 SPC1068 为基础, 设计一款高效稳定的电机转矩控制系统。 利用转矩 矢量控制方法,在已知所需转矩的情况下,通过控制 芯片直接计算获得最优矢量电流,摆脱传统查表电 流的获取,提高了电机转矩可控性和实时性,优化了 电流控制效率。 在步进电动机矢量控制闭环系统
量式旋转编码器将转子位置实时反馈给控制芯片,实现对电机Βιβλιοθήκη 矩、电流的闭环控制。 仿真实验证明,
系统能实现对电机转矩的有效控制,且具有较高的 吕
动态稳定性。
常 智
1摇 两相混合式步进电动机转矩矢量控制
等 摇
基
转矩矢量控制是对电机定子绕组电流的相位和 于
大小进行控制。 将定子两相绕组电流进行坐标变
第九章 步进电机及开关磁阻电机
• 开关磁阻电机根据转子位置决定各相励磁绕组的通电时 刻,因而属于自控式同步电动机的一种;
• 步进电机是按照一定的顺序对定子励磁绕组进行通电, 定子绕组每输入一个脉冲,转子转过一定角度。
11.1 预备知识
11.1.1 机电系统的能量守恒定律
内容:
对于以磁场作为媒介的机电系统，根据能量守恒定律，有：
3.利用磁共能计算电磁转矩
对于多端激磁系统(即由多相绕组同时激磁的系统，式（11-6）可修改为：
n
dWm ik dk Temd k 1
多端激磁系统满足下列关系式：
ik
Wm (1, 2 , n , )
k
1 ,2 k 1k 1n ,
相应的磁共能为：
Tem
Wm (1, 2 , n , )
1 ,2 n
制（Angular Position Control, APC））
A、斩波控制模式(CCC)
(a) 线性电感波形 (b) 理想电流波形 (c) 斩波模式下的相电流波形 (d) 斩波模式下的相电压波形
图11.7 斩波控制模式下的电流与电压波形
斩波控制方式下的注意事项：
• 脉冲电流的开通角通常选在电感增加区域之前的 位置,以确保在电感增加之前的最小电感区域内 电流迅速上升至所要求的数值 ；
n
Wmc ik k Wm k 1
用磁共能表示的多端激磁系统的磁链和电磁转矩由下式给出：
k
Wmc (i1, i2 , in , )
ik
i1 ,i2 ik 1ik 1in ,
Tem
Wmc (i1,i2 , in , )
i1 ,i2 in
（11-20） （11-21） （11-22） （11-23） （11-24） （11-25）
切向电磁力谐波对转矩的影响
切向电磁力谐波对转矩的影响引言：电磁力是指由电场和磁场所产生的力，它在物理学和工程学中有着广泛的应用。
当电磁力作用于旋转体上时，会对其转矩产生影响。
本文将着重探讨切向电磁力谐波对转矩的影响，并进行详细阐述。
一、切向电磁力的概念和特点切向电磁力是指作用在旋转体上的与旋转方向相切的电磁力，其方向垂直于磁场和电流方向，并且与旋转体的速度成正比。
切向电磁力谐波是指具有谐波特性的切向电磁力。
谐波是指周期性波动的频率是原始波频率的整数倍。
二、切向电磁力谐波对转矩的影响机理1. 旋转体所受切向电磁力谐波的大小与电流大小和磁场强度有关，通常情况下，电流越大、磁场越强，切向电磁力谐波的大小越大。
2. 切向电磁力谐波的方向与旋转体的速度方向相垂直，且与速度大小成正比。
当旋转体速度增大时，切向电磁力谐波也会增大。
3. 由于切向电磁力谐波的方向与速度方向相垂直，它对转矩的影响主要表现为改变旋转体的转速和转动方向。
当切向电磁力谐波作用于旋转体上时，会产生转矩，使旋转体发生转动。
三、实际应用中的案例分析1. 电动机：在电动机中，切向电磁力谐波对转矩的影响非常重要。
电动机的转矩由电流和磁场决定，通过控制电流和磁场的大小，可以调节电动机的转矩。
切向电磁力谐波对电动机的转矩产生影响，可以通过改变电流和磁场的频率和幅值来调节电动机的转矩。
2. 发电机：在发电机中，切向电磁力谐波也对转矩产生影响。
发电机是将机械能转化为电能的装置，其转矩与电磁力密切相关。
通过控制电流和磁场的大小，可以调节发电机的转矩。
切向电磁力谐波对发电机的转矩产生影响，可以通过改变电流和磁场的频率和幅值来调节发电机的转矩。
四、切向电磁力谐波对转矩的优化控制为了实现对旋转体转矩的精确控制，需要对切向电磁力谐波进行优化控制。
具体控制方法有以下几种：1. 调节电流和磁场的频率和幅值：通过改变电流和磁场的频率和幅值，可以调节切向电磁力谐波的大小和方向，从而实现对转矩的控制。
二相混合式步进电机转矩系数和电势系数研究[1]
![二相混合式步进电机转矩系数和电势系数研究[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/6ed9e0eb6294dd88d0d26b0f.png)
( 11)
T
′ T IA l 1s I B ′ IBm 1c
sin Η e+
T
′ T IA l 2s I B
sin2Η e+
′ Bm 2c
′ IBm 0
( 11H a rb in In stitu te of T echno logy, H a rb in 150001, Ch ina; 21Zhuha iM o tion Con tro lM o to r Co. L td, Zhuha i 519001, Ch ina ) Abstract:W ith the u se of the exp ression s of non- linea r w ind ing s inductance and m u tua l inductance, the accu ra te exp ression s of ro ta ting vo ltage and electrom agnetic to rque a re deduced in th is p ap er. T he exp ression s of ro ta ting vo ltage coefficien t k e in load ca se and to rque coefficien t k t w ith con sidering of sa tu ra tion a re a lso ob ta ined. Key words: 2 - p ha se hyb rid stepp ing m o to r; ro ta ting vo ltage coefficien t; to rque coefficien t; non sa tu ra tion linea r;
三相混合式步进电机驱动器设计原理和控制详解
上海昀研自动化科技有限公司自2004年起致力于三相混合式步进电机及驱动器的开发，42系列低压三相混合式步进电机，57系列低压、高压三相混合式步进电机，86系列低压、高压三相混合式步进电机，110、130系列高压三相混合式步进电机，YK3605MA，TK3411MA，YK3822MA，YKA3722MA等多款产品已成功应用于市场。
上海昀研自动化科技有限公司生产的三相混合式步进电机采用交流伺服原理工作，转子和定子的直径比高达50%，高速时工作扭矩大，低速时运行极其平稳，几乎无共振区。
其配套驱动器YK3822MA具有单相220V/50Hz输入，三相正弦输出，输出电流可设置，具有十细分和半流额定值60%功能；控制方式灵活，有“脉冲+方向控制”，也有“正转脉冲+反转脉冲”控制方式；有过热保护功能，因此使用起来十分的方便。
1．前言步进电机是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。
与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。
但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。
步进电机的运行性能与它的驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。
相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。
总体来说，细分驱动的控制效果最好。
因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。
所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛。
因为三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，所以三相混合式步进电机比二相步进电机有更好应用前景。
传统的三相混合式步进电机控制方法都是以硬件比较器完成，本文主要讲述使用DSP及空间矢量算法SVPWM来实现三相混合式步进电机控制。
新能源汽车电机谐波机理分析（谐波初识）
新能源汽车电机谐波机理分析（谐波初识）⼀、基本概念理解1、谐波概念谐波主要是对⼀个波形进⾏频域分析，基波为需求波形，其余为谐波。
2、空间谐波研究意义空间谐波是空间波形分布的频域分析结果，分析波形沿着空间⾓度变化的谐波组成。
对于正弦波电机⽽⾔，任何转矩、反电势均是空间谐波（相带谐波、齿谐波、转⼦谐波）相互作⽤的结果。
3、时间谐波研究意义时间谐波为时间运动的频域分析，分解出来的谐波以电机时间采样长度为基本周期，体现电机各个波形的运动规律。
⽐如转矩脉动、反电动势、损耗以及损耗脉动均表明电机中存在很多时间谐波。
时间谐波体现了电机各个性能参数在电机运转中的变化规律。
4、电机时间空间谐波研究意义但从空间谐波或者时间谐波不⾜以表⽰电机转矩、损耗、反电势等参数的变化。
其次，某⼀个时刻的空间谐波由很多不同的时间谐波叠加⽽成。
以下为不同时刻ANSOFT软件FFT分析结果：谐波幅值的变化验证了时间谐波的存在以及⽆法⽤简单的FFT研究电机谐波的真实原因。
⼆、谐波简单分类1、相带谐波，个⼈也叫做组分布谐波相带谐波主要受极槽配合和槽⼝影响，主要特征：所有谐波产⽣的反电动势均为基波；所有谐波质点振动周期相等，波形运动速度为谐波次数分之⼀；谐波受极槽配合变化明显，可以产⽣分数次谐波；理想模型谐波中不含3的被数次谐波。
2、转⼦谐波转⼦谐波主要受转⼦⼏乎系数和转⼦结构影响。
主要特征：是反电动势谐波的主要来源之⼀；质点振动周期为基波乘以谐波次数，波形运动速度相等；谐波主要受极弧系数影响。
3、齿槽谐波定⼦开槽引⼊的电机谐波。
主要特征：谐波次数为齿数±1；对反电势谐波影响⼩；是转矩脉动主要来源之⼀；4、转⼦结构引⼊磁阻谐波转⼦结构以及转⼦磁钢槽导致。
主要特征：负载反电动势谐波源之⼀；负载纹波脉动源之⼀。
三、谐波分析⼯具与⽅法磁密谐波随着空间⾓度变化成分布变化，随着时间点变化成运动变化，即⼀个周期的磁密谐波既是空间函数，⼜是时间函数。
永磁同步电动机电磁转矩的计算
永磁同步电动机电磁转矩的计算
背景及意义
• 目前高性能永磁体广泛应用, 永磁电机也随之普遍 化, 但电机磁路结构的变化多样给电机的电磁计算 带来了不便, 随着有限元法的提出以及计算机性能 的提高, 永磁电机电磁转矩的计算也得到了改善。 电磁转矩是电机的一个重要指标,电磁转矩的准确 计算也会影响一台电机的性能。
永磁同步电动机电磁转矩的计算方法
• 麦克斯韦应力张量法 • 磁通法
麦克斯韦应力张量法
• 从麦克斯韦电磁场的观点分析, 在电磁场内部也存 在着应力, 一个体积内部的电磁场受到体积外部电 磁场的力, 是通过边界上的应力作用的。边界面上 的应力可以由应力张量求出。根据这一理论可以 推导出电机电磁转矩的计算方法, 即在电机的气隙 中有一闭合的曲面S, 利用麦克斯韦应力张量法通 过表面积分可以求出电机总的电磁转矩。
磁通法
• 由上式可以得到电机电磁功率
Pem mE cosi Iq mE sini Id mE (Iq cosi Id sini )
相应的(Iq
cosi
Id
sini )
式中, 永磁同步电动机的机械角速度。
磁通法
• 由此可见磁通法的关键是求出气隙合成电动势, 这里先进行电机的二 维负载场的有限元分析,得到气隙矢量磁位A, 但此时的磁位是含有谐 波的合成气隙磁位, 要通过对一个周期的磁位函数进行傅立叶分解得 到基波后, 根据磁位与磁通的关系可得
谢 谢！
•
感 谢 阅 读
感 谢 阅 读
2Lef a12 b12
i arctan(a1 / b1)
式中, a1 傅立叶分解正弦项系数, b1 余弦项系数。得到气隙合成 电动势为
低压配电系统中三次谐波的分析与有源电力滤波器解决方案
低压配电系统中三次谐波的分析与有源电力滤波器解决方案安科瑞王志彬2019.1【摘要】在非线性电气设备运行中时常会产生谐波电流，若没有得到有效的处理，会直接影响到低压配电系统的运行安全。
本文介绍了低压配电系统谐波电流的危害和现状，结合谐波特点分析了谐波电流对低压配电系统的影响，并提出一些有效的抑制措施。
针对已经投入使用的大型商业广场低压配电系统N线电流异常情况进行评估总结。
结合理论和实测数据分析产生异常的原因，以及带来的危害叙述，并给出解决问题的方法和建议方案。
【关键词】低压配电系统；谐波电流；电容器；抑制措施；三相不平衡；N线电流；三次谐波；有源滤波随着我国社会经济建设步伐的不断加快，科学技术水平得到进一步的提高，开关电源、整流器和变频器等非线性电气设备使用越来越频繁，对供电系统的电能质量要求有所提高。
在非线性电气设备运行过程中势必会产生谐波电流，这不仅影响到配电系统本身的正常运作，而且也会影响到其他电气设备的安全。
谐波电流导致电气设备异常和事故有逐年增长的趋势，已成为了低压配电系统的一大公害。
因此，如何降低谐波对配电系统的危害成为了技术人员急需解决的问题。
本文分析了谐波电流对低压配电系统的影响，寻找有效的抑制措施解决谐波危害，保证配电系统的正常运行。
1.谐波的危害理想的电网提供的电压应该是标准频率和规定的电压幅值。
谐波电流和谐波电压的出现使用电设备所处的环境恶化，对用电设备和通信系统带来了很大的危害，由谐波引起的设备故障不断发生。
2.工厂低压配电系统谐波的现状在工厂中强电、弱电多个系统并存，高压（35kV、6kV）、低压（380V、220V、24V）多种电压等级并存，交流、直流多种供电制并存，所以有效抑制谐波电流创造更好的电磁兼容环境，是保证生产流程正常运转的首要任务。
工厂内存在大量的非线性电气设备，归纳起来有以下几种。
2.1变配电室直流屏在工厂内有变配电室自用电的直流屏、6kV变电所操作系统的直流屏。
步进电机常见故障的分析和排查
文 中提 出 了几 点 可行 操 作 的 细 节 。
关键词 ： 小学 ； 作文 ； 认知 ； 培养 《 小学语文新课程标准》指出 ：作文教学是学生认知水平和文 点 ， “ 就能能效 地锻炼观察的 目的性 ， 提高认知能力。对小动物 、 围 周 字表达能力 的体现。 这就是说 ， 学生认知事物的能力对提高作文 景物 、 自然的变化 的不 同特点的观察要抓其特点 。 ” 小 大 另外 ， 要注意引 能力 有着不可忽视的作用 。 导学生对新鲜事物的观察 。 学生最容易被新奇事物吸引。这时教 小 小学 生受年龄 、 知能力和生活阅历 的限制 ， 认 存在着观 察的盲 师就应 时时提醒学生留心事物发展的过程 、 特点 。因为观察 和思维 目性 、 认知的狭 隘性 、 表达的空洞性的特点。 如果教师在一开始就不 是打开作文 内容宝库 的金钥 匙 ， 没有 观察事物 、 析事物的能力也 分 注意对学生 观察能力 、 思维 能力 、 表达 能力 的培养 ， 乏方法 的指 就不 可能有作文能力。因此 ， 缺 要注意培养学生观察 、 认知思维能力 ， 导 ， 必会错 过 良好 的起步期培养机会 ， 势 使学生 陷入 为作 文而作文 帮助学生养成 良好 的观察 、 认知思 维习惯 ， 为积 累作 文素材打下坚 的困境 。长此 以往 ， 学生 的作文兴趣就会受 挫 ， 出现 “ 夹生饭 ” 的结 实基 础。 果 ， 学生在积累充足 的写作素材 ， 使 提高认识能力及表 达能力诸 方 为了强化观察训 练 ， 教师就要结合教材和学生所生活 的 自然 环 面受损。 因此 ， 坚持观察 、 思维 、 表达相统一的作文原则 ， 强化作文教 境的不 同特点组织定向观察 。运用阅读课 中学到定 向观察的方法 ， 学各环节 的 目的性 、 针对性 、 计划性是十分重要 的。 去观察生 活。 逐步做到会看 、 会听 、 问， 会 及时记录见闻和感 受。 要求 学生 的作文能力不仅仅是 限于表达能力和写作技 巧上 ， 实际是 学生坚持写观察 日记 ， 把平时看的 、 想的择要记下来 ， 就是每次 三言 知识 、 语言 、 认知等方面的综合 。作文水平的高低 ， 主要体现在平时 两语 ， 也会成为作 文的好素材 。这样 ， 既丰富了生活积蓄 ， 又能不 断 积累材料 的能力 、 认知事物的能力和语言运用能力 的高低上 。要提 提高认知事物 的能力。可从以下几方面进行 ： 第一 ， 多看 多听。多 要 高小学生 的作文能力 ， 必须从以上几方面进行训练。 看， 就是经常认 真地看 ， 看明事情 的来龙去脉 ， 事物 的特点 、 性质 ， 人 从儿童语言 、 维发展的规律角度看 ， 思 正确处理好观察 、 思维 、 们的思想感情 。多听 ， 就是注意听懂人们 的不 同意见 ， 同反映 ， 不 从 表达的关 系， 要遵循 “ 说到写 ， 从 由述 而作 ” 的顺序 。 拿教科版二年级 听的 中间开 阔知识领域 ， 了解古今 中外 许多事情 。第二 ， 要多 问多 多 就是把 自己平时看 到的某些不明 白的事情 向老师 、 同学求 下册第四单元 的能说会 写《 智救小鸭子》 说 ， 来 教学 时可分为两大环 想。 问， 节。 第一个环节可以是带着问题观察画面； 观察 画面 ， 开想象和联 教 ， 自己了解得更多 。多想就是把 自己观察 到的事情在头脑 中多 展 使 想， 自由练说。边观察 、 边思考 、 边叙述 ， 通过 口头表达反 映出观察 、 回忆 ， 多联想 ， 多问几个“ 为什么？” 从而巩 固看到和听到的成果 ， 锻 思维的效果 。 第二个环节可 以是以学生 能够完整 、 清楚 、 较为具体 口 炼思维 ， 形成深刻的印象 。 第三 ， 要多记多写。 就是说 手比较勤 ， 能够 述图意的基础上 ， 按照要求写下来。 通过书面表达反 映看 、 、 、 思 说 的 把 看 到 的 、 到 的 、 到 的及 时记 下 来 。可 以写 生 活 日记 ， 以 写 观 听 想 可 结果。 这样 ， 既使观察 、 思维 、 表达有机结合起来 ， 又使学生通过二次 察 日记。如果持之 以恒 ， 形成习惯 ， 不但能积累丰富 的作文素材 ， 而 表达强化 了认知过程 ， 培养 了写作习惯 和能力 。 且锻炼了书面表达能力 ， 使学生受益终生 。 提高学生认知事物的能力就要进行和重视观察训练 。 引导学 要 总之 ， 知能力和思维 、 认 观察 、 运用语言 的能 力是不能分 开的 ， 相辅相成 的， 须同步训练 。随着认知能力 的提高 ， 必 思 生注意周 围人 、 、 ， 身边 事物中搜集作文素材 ， 物 景 从 增强认知事物 是相互作用 、 的能力。许 多教师 以为学生写亲身经历的事不成问题 ， 但实践活动 维能力 、 观察能力 、 语言表达能力也会提高 。因此 ， 我们 要提高对培 中的耳闻 目睹不能代替观察训练 。 养学生认 知能力重要性的认识 ， 并在教学 过程 中时刻注意。 布置学生跟踪观察 ， 了解事物 的发展变化 的全过程 ， 才能取得 对该事物的全 面认识。 跟踪观察某一观察对象在一个阶段的变化特 作者简介： 金玲 （９ ８ ） 黑龙 江省佳木斯市第三 小学， １７ 一 ， 女， 教师。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
混合式步进电动机的谐波电磁转矩分析AnalysisofHarmonicElectromagneticTor quesofH ybridSte ppingMotors王 英 田 一(大连铁道学院电气信息分院 116028)王宗培(哈尔滨工业大学 150001)WangYin g TianYi (DalianRailwa yInstitute 116028 China )WangZon gpei (HarbinInstituteofTechnolo gy 150001 China ) 摘要 研究了五相混合式步进电动机的不对称性,分析了不对称性与3次谐波电流对电动机谐波电磁转矩的影响,提出了不对称性可在电动机的反电动势中体现,且导致电动机产生较大的2次谐波电磁转矩分量,对转子齿数较多的电动机,为减小相位误差,特别要注意提高机械加工精度,分析研究结果为采取相应措施抑制电动机的2次谐振提供了必要的理论依据。
关键词:步进电动机 谐波电磁转矩 谐振中图分类号:TM38316Abstract ThecharacteristicsofbackEMFandharmonicelectroma gnetictor quesareinvesti gatedforanunbalanced52phaseh ybridste ppin gmotor 1Basedontheanal ysisofthose,itis proposedthattheam plitudeofthesecondharmonicelectroma gnetictor queisthelar gestonebecauseoftheunbal 2ancedbackEMFandthethirdharmonic phase 2current 1Experimentalresultsa greewiththeanal ytical ones 1Ke ywords:Steppin gmotor,harmonicelectromagnetictor que,resonance大连市科技基金资助项目。
王 英 1962年生,博士,副教授,从事电机及驱动控制研究。
田 一 副教授。
1 引言混合式步进电动机问世以来,在开环高分辨率系统中得到广泛应用。
开环系统的一个主要缺点就是电动机在某些运行频段具有振荡的倾向。
五相混合式步进电动机的振荡特性实验研究表明,电动机开环运行时存在多个振荡区间,除了负阻尼导致的自激振荡区间以外,2次谐振的幅值最大[1]。
步进电动机的谐振与谐波电磁转矩直接相关,为抑制和消除电动机的振荡特性,需要对谐波电磁转矩产生的原因进行分析。
五相混合式步进电动机于70年代中期提出,如今已成为混合式步进电动机的主流产品之一。
对于五相混合式步进电动机,其典型转子齿数是50,由于该转子齿数是定子相数和极数的整数倍,因而存在着定子磁极极靴采取人工错位导致的不对称性[2],同时,制造误差也会导致某种程度的不对称性。
电动机的不对称性特性如何表现,对电磁转矩产生何种影响,是一个需要加以研究和分析的问题。
本文分析了五相混合式步进电动机的不对称性在电动机反电动势中的表现,研究了不对称现象及3次谐波电流对谐波电磁转矩的影响,提出了不对称会导致电动机产生较大的2次谐波电磁转矩,是电动机产生较大的2次谐振的主要原因,对转子齿数较多的电动机,为减小相位误差,特别要注意提高机械加工精度,研究结果可为抑制和消除电动机的振荡提供参考。
第17卷第3期电工技术学报2002年6月2 电机的不对称性五相混合式步进电动机的典型转子齿数是50,为进一步提高电动机的分辨率,增加转子齿数是一种有效方法。
90BYG5200B 型五相混合式步进电动机由于其转子齿数Z r =200,所以可以实现每转2000整步(4000半步)的高分辨率。
对于200齿五相混合式步进电动机,其定子各磁极的极靴与50齿电动机类似,也需要采取人工错位,不可能对称分布,尽管在设计时尽量让它们对称,毕竟各个极的极靴形状和极间距不能完全一致,因此导致电动机的磁系统有一定的不对称性。
在考虑机械加工存在一定偏差的情况下,电动机的不对称性可在转子永磁体在各相绕组中的感应电动势(反电动势)基波分量的幅值及相位中得到体现,即e k =K ek ωcos [θ-(k -1)6π5+Δαk(1)式中 K ek ———定子第k 相的反电动势系数ω———转子电角速度 θ———转子电角位移Δαk ———定子第k 相的电角度相位偏差,k =1,2,3,4,5或a,b,c,d,e对于混合式步进电动机,电角度相位偏差Δαk和机械相位偏差Δαr k 有如下关系Δαk =Z rΔαr k (2) 从上式可以看到,在机械相位偏差相同的情况下,转子齿数越多,电气相位偏差越大。
由此看来,对齿数较多的200齿五相混合式步进电动机,如果机械加工精度不够高,就更需要考虑相位偏差对电动机反电动势的影响。
实验电动机为一台90BYG5200B 型五相混合式步进电动机,用驱动电动机带动实验电动机以1r/s (相当于实验电动机以外加控制脉冲信号频率f cp =4k pps 半步运行时的转速)的转速运行,由微机测试系统对电动机各相的反电动势进行测量,图1为实验电动机a 、b 两相实测反电动势波形。
从图1可以看到,电动机在平稳运行时,其反电动势波形基本上是正弦波,但幅值不相等,a 、b 两相的反电动势系数分别为K ea =0100437V ・s/rad,K eb =0100411V ・s/rad 。
图1 实测反电动势波形(f cp =4k pps )Fig 11 WaveformsofthebackEMFforf cp =4k pps 表1给出了实验电动机定子各相的实测相位偏差,从表1可以看到,在机械相位偏差为217′时,其电气相位偏差已达到9电角度,这个数量值对电动机反电动势对称性的影响是明显的。
表1 实测相位偏差Tab 11 Experimentederrorsofphase-an gledifferences相数ka b c d e 电角度偏差Δαk /(°)011599-315机械角度偏差Δαr k /(′)00145217217-11053 电磁转矩分析对五相混合式步进电动机,其稳态运行时的电磁转矩可表示为T =P eωr =1ωr65k =1e k i k (3)式中 P e ———电磁功率 ωr ———转子机械角速度ωr =ω/Z r e k ———第k 相绕组的反电动势i k ———定子第k 相绕组电流混合式步进电动机的驱动工作方式决定了定子相电流为非正弦,一般都含有比较丰富的高次谐波成分,其中,3次谐波的幅值较大。
若只考虑相电流的基波分量和幅值较大的3次谐波电流分量,则电动机连续运行时的相电流表达式可写成81电工技术学报2002年6月i k (t )=I 1m k sin ω1t -(k -1)6π5+I 3mk sin 3ω1t -3(k -1)6π5-φ3(4)式中 ω1———相电压、相电流的基波角频率ω1=2πf c p /m 1 m 1———逻辑通电状态数电机平稳运行时,转子角位移可表示为θ=ω1t -δ(5)式中 δ———失调角将式(5)代入式(1)再和式(4)一起代入式(3)得T =Z r265k =1I 1mk K ek sin (δ-Δαk )+ sin 2ω1t -δ-2(k -1)6π5+Δαk+ Z r265k =1I 3mk K ek sin 2ω1t +δ-2(k -1)・6π5-Δαk -φ3]+ sin 4ω1t -δ-4(k -1)6π5-Δαk -φ3=T 0+T 2+T 4(6)式中 T 0———平均电磁转矩T 0=Z r265k =1I 1mk K ek sin (δ-Δαk )(7) T 2———2次谐波电磁转矩分量T 2=Z r265k =1K ek {I 1mk sin [2ω1t -δ-2(k -1)・6π5+Δαk ]+I 3mk sin [2ω1t +δ-2(k -1)6π5-Δαk -φ3]}(8) T 4———4次谐波电磁转矩分量T 4=Z r265k =1I 3mk K ek sin [4ω1t -δ- 4(k -1)6π5+Δαk ]-φ3](9) 从式(6)可以看到,不对称性对电动机的平均电磁转矩和谐波电磁转矩都会产生影响。
对称时,式(8)和式(9)所示的谐波电磁转矩为零;不对称时,式(8)和式(9)所示的谐波电磁转矩不为零。
在考虑相电流的基波分量和幅值较大的3次谐波电流分量情况下,电磁转矩含有2次和4次谐波分量,由于2次谐波电磁转矩主要由相反电动势和相电流的基波分量产生,所以其幅值较大。
从式(8)可以看到,改变3次谐波电流的相位角φ3会对2次谐波电磁转矩的幅值产生一定影响,且各相2次谐波电磁转矩幅值最小的条件为φ3=2δ-2Δαk +π由于电动机各相的相位偏差大小及正负不同,综合考虑,在相位偏差不大的情况下,上式可近似简写成φ3≈2δ+π。
以空载运行时为例,电动机空载运行时δ=0,所以φ3=π,此时的相电流波形是一个近似三角形波;同理,使2次谐波电磁转矩各相幅值较大的条件为φ3≈2δ,电动机空载运行时,φ3=0,此时的相电流波形是一个马鞍形波。
4 实验结果五相混合式步进电动机连续运行时的谐波电磁转矩,导致电动机产生谐振,对于较大的2次谐波电磁转矩,其2次谐振点的幅值也应较大,因此,谐波电磁转矩的大小,可由其谐振特性间接加以观察。
对90BYG5200B 型实验电动机,采用425相通电方式,用HH —153型升频、升压驱动器驱动运行,相电流的近似三角形波和马鞍形波可采用绕组星接和五边形联接(ACEBD )的两种联接方式实现[3],图2给出了f cp =215kpps 时的实测空载相电流波形,从实测的相电流波形不难看出,两种电流波形都含有较大的3次谐波分量,星接半桥驱动的相电流波形为近似三角波(图2a ),五边形联接半桥驱动的相电流波形近似为一个马鞍形波(图2b ),依前面的分析,在3次谐波电流的影响下,星接半桥驱动应比五边形联接半桥驱动的2次谐振幅值略小。
图3为实验电动机在两种驱动工作方式下的实测空载振荡特性曲线。
其中图3a 为星接半桥驱动的振荡特性曲线;图3b 为五边形联接半桥驱动的振荡特性曲线。
从图3可以看到,电动机有多个振荡频段,其振荡特性从图中不难看出,对图3a,f cp <3k pps 时的振荡表现为谐振;f cp >3k pps 时的振荡表现为动态不稳定性。
对图3b,f cp <6k pps 时的振荡表现为谐振。
由混合式步进电动机的振荡特性可知[1],f cp =215kpps 附近的谐振为2次谐振,从测试结果看,两种驱动方式的2次谐振幅值都较大,相电流为近似三角波的星接半桥驱动比相91第17卷第3期王 英等 混合式步进电动机的谐波电磁转矩分析图2 实测相电流波形(f cp =215kpps )Fig 12 Waveformsofthe phasecurrentsforf cp =215kpps电流为马鞍形波的五边形连接半桥驱动的2次谐振幅值略小,这个结果与前面的分析基本相符。