双三相旋转直线步进电机控制策略研究与系统设计

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摘 要
随着现代科技的发展，材料学的不断完善，制造工艺水平的进步，各种新型
的特种电机成为研究热点，多自由度电机就是其中的一种新型特种电机。多自由
度电机是指两个或两个以上的自由度，可以绕过定点空间的任意轴线的电机。
多自由度电机具有结构简单，机械集成度高，驱动控制元件利用率高等特点，
因此在工业领域里有广泛的应用前景。本文所研究的双三相直线旋转步进电机在
传统的旋转式步进电机和圆筒式直线步进电机的基础上进行创新研究，使其既能
旋转运动又能直线运动，还能螺旋运动，满足了对电机多自由度运动的要求。本
文对这种电机的直线部分结构进行优化设计，并设计其驱动电路和控制策略。
本文的主要研究内容如下：
（1） 电机结构的设计与研究。双三相直线旋转步进电机由 2 个定子和一个
转子组成。2 个定子段分别与转子作用产生旋转力矩和直线推力。产生
旋转力矩部分的定子段和传统的圆筒式旋转步进电机结构一样，而产
生直线推力的定子段创新性强。本文设计了三种不同的电机直线段结
构并进行分析，选取最佳的一种制作电机。
（2） 双三相直线旋转步进电机的有限元分析。利用有限元分析软件 Ansoft
Maxwell 对电机进行仿真，分析其磁路，转矩，直线推力等特性曲线，
为电机的控制奠定基础。
（3） 设计三相反应式步进电机的驱动电路。此电机的驱动脉冲分配环节由
软件实现，设计一个只有功率放大功能的三相反应式驱动电路。
（4） 设计双三相直线旋转步进电机的控制策略，建立电机旋转部分和直线
部分的数学模型，并对所设计的控制策略进行仿真，验证控制策略的
可行性。
（5） 对电机的螺旋运动进行分析，研究出电机的最佳螺旋运动轨迹。
关键词： 直线旋转 步进电机 驱动电路 控制策略 螺旋运动
ABSTRACT
A variety of new types of special motors become a hot topic with the
development of modern technology , materials science and the improvement of the
manufacturing process.Multi-DOF motor is one kind of the new types of special
motors.Multi-DOF motor is a kind of motor which has two or more degrees of freedom
and can move around any axis of the fixed-point space.
Multi-DOF motor has a simple structure , high mechanical integration and high
utilization rate of the drive control element.Therefore it has broad application prospects
in the industrial field.The double three-phase linear and rotary stepper motor which this
paper researched does innovation research on the basic of conventional rotary stepper
motor and cylindrical linear stepper motor .This type of the motor not only can do linear
motion and rotary motion ,but also can do spiral motion which meets the requirement of
the multi-DOF motion of the motor.This paper optimizes the structure of the linear part
of the motor and designs the motor’s drive circuit and control strategy.
The main content of this paper researched is as follows:
(1) the design of the motor structure.The double three-phase linear and rotary stepper
motor is composed of two stators and one rottor.The two stators produce rotary
torque and linear thrust respectively.The segment which produces rotary torque is
the same as the conventional cylindrical rotary stepper motor ,while the segment
which produces linear thrust has great innovation.This paper designs three kinds of
the structure of the linear part of the motor and choose the best kind to manufacture
the motor.
(2) The finite analysis of the double three-phase linear and rotary stepper motor.This
paper does some simulation of the motor with Ansoft Maxwell which is a kind of
finite element analysis software.It analyzes the motor’s magnetic circuit , the
characteristic curve of the torque and linear thrust and lay the foundation for the
motor control.
(3) Design the drive circuit of the motor.The pulse distribution is achieved by the
software.This paper designs a drive circuit which has power zoom function.
(4) Design the control strategy of the motor , establish the mathematical model of the
ratary part and the linear part of the motor and do simulation of the control stategy
which proves the feasibility of the control stategy.
(5) Analyze the spiral motion of the motor and get out the best trajectory of the spiral
motion.
Key Word: linear and rotation, stepper motor, drive circuit ,
control stategy, spiral motion
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论............................................................................................................1
§1.1 课题来源....................................................................................................1
§1.2 课题背景....................................................................................................1
§1.3 国内外发展与研究现状............................................................................3
§1.4 主要研究内容............................................................................................4
第二章 双三相直线旋转步进电机的基本原理与仿真研究..................................5
§2.1 引言............................................................................................................5
§2.2 电机的基本结构........................................................................................5
§2.3 电机的旋转部分运动原理........................................................................7
§2.4 齿宽比为 0.33 的直线部分推力计算与仿真..........................................9
§2.5 齿宽比为 0.25 的直线部分设计与仿真................................................16
§2.6 齿宽比为 0.5 的直线部分设计与仿真..................................................17
§2.7 三种电机直线部分设计的比较..............................................................19
第三章 双三相直线旋转步进电机的有限元分析................................................20
§3.1 引言..........................................................................................................20
§3.2 Ansoft Maxwell 有限元分析原理概述................................................20
§3.3 Ansoft Maxwell 2 维有限元分析.........................................................23
§3.3.1 Ansoft Maxwell 2 维有限元分析理论基础 ...............................23
§3.3.2 Ansoft Maxwell 旋转部分 2 维有限元分析 ..............................26
§3.3.3 Ansoft Maxwell 直线部分 2 维有限元分析 ..............................28
§3.4 Ansoft Maxwell 3 维有限元分析.........................................................30
§3.4.1 Ansoft Maxwell 3 维电磁场有限元分析理论基础 ...................31
§3.4.2 Ansoft Maxwell 旋转部分 3 维有限元分析 ..............................34
§3.4.3 Ansoft Maxwell 直线部分 3 维有限元分析 ..............................35
§3.5 本章小结..................................................................................................37
第四章 双三相直线旋转步进电机驱动电路设计................................................38
§4.1 引言..........................................................................................................38
§4.2 步进电机功率驱动电路..........................................................................39
§4.2.1 单电压驱动电路 ............................................................................39
§4.2.2 双电压驱动电路 ............................................................................40
§4.2.3 斩波恒流驱动电路 ........................................................................41
§4.2.4 双极性驱动电路 ............................................................................43
§4.2.5 角度细分控制电路 ........................................................................43
§4.3 驱动电路的设计......................................................................................45
§4.3.1 UC3770 的主要特点 .......................................................................45
§4.3.2 UC3770 的内部结构及工作原理 ...................................................46
§4.3.3 三相驱动电路 ................................................................................47
§4.4 本章小结..................................................................................................49
第五章 双三相直线旋转步进电机控制策略研究................................................50
§5.1 引言..........................................................................................................50
§5.2 步进电机的传递函数..............................................................................50
§5.3 双三相直线旋转步进电机的数学模型..................................................52
§5.3.1 三相反应式旋转步进电机的数学模型 ........................................52
§5.3.2 三相反应式直线步进电机的数学模型 ........................................54
§5.4 直接转矩控制的理论基础......................................................................54
§5.4.1 瞬时空间矢量理论 ........................................................................54
§5.4.2 直接转矩控制系统结构 ................................................................56
§5.4.3 磁链和转矩控制及开关频率调节 ................................................57
§5.4.4 最佳开关逻辑 ................................................................................58
§5.5 基于直接转矩控制的步进电机仿真......................................................60
§5.5.1 仿真框图........................................................................................60
§5.5.2 仿真波形及结果 ..........................................................................62
§5.6 直接转矩控制方案的硬件组成..............................................................64
§5.7 本章小结..................................................................................................65
第六章 双三相直线旋转步进电机螺旋运动的研究............................................66
§6.1 引言..........................................................................................................66
§6.2 电机直线部分和旋转部分的相互影响..................................................66
§6.2.1 旋转部分对直线运动的影响........................................................66
§6.2.2 直线部分对旋转运动的影响........................................................67
§6.3 电机的螺旋运动......................................................................................67
§6.3.1 按轨迹螺旋运动............................................................................67
§6.3.2 最佳螺旋运动................................................................................68
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源
本课题来自上海市研究生创新基金项目《双径向磁场直线旋转步进电机驱动
器研究》（项目号JWCXSL0902），《双径向磁场直线旋转步进电机的研制》（项
目号JWCXSL1002），上海市教委的重点科研项目《径向磁场直线旋转磁阻推力研
究与系列新型电机研发》（项目号12ZZ138）的后续研究开发，已获国家专利《双
径向磁场磁阻式直线旋转步进电机》(专利号：2008100427463)。
§1.2 课题背景
（1）步进电机
步进电机是由电脉冲控制的，其作用是将脉冲信号转换为相应的角位移或线位
移。当步进电机接收到一个脉冲时，转子转动一个角度，带动机械移动一段距离。
步进电机最早是在 1902 年由英国人开发的。它的原始模型起源 1803 年至 1806
年，最初的步进电动机是 19 世纪 70 年代开始以控制为目的的尝试应用于氢弧灯
的电极输送机构中[1,15,16]。近三十年来，步进电动机得到快速的发展，并逐渐成熟，
已经能与同步电机，异步电机等并列，独立形成了一种基本的电机类型。
按励磁方式来分，步进电机可以分为三大类：反应式、永磁式、混合式。反应
式步进电机定转子由软磁材料制作而成，转子无绕组，定子嵌有线圈，定子和转
子都开有小齿，步距小。反应式步进电机由于其结构简单，成本低，被较多使用。
永磁式步进电机的转子与反应式步进电机的转子不同，其转子为永磁材料，转子
的极数和每相定子的极数相等。定子绕有线圈，通过对线圈轮流通电[2,15]，定转子
间产生磁场，从而产生转矩。永磁式步进电机的定转子不同于反应式，其定转子
不开小齿，步距角要比反应式大，产生的力矩也比反应式大。混合式步进电机转
子是永磁式，两段，开小齿，具有反应式和永磁式的优点：电机的步距角小、产
生的转矩大以及动态性能好。但结构复杂，成本较高。
（2）直线电机
直线电机是一种不需要经过螺杆等媒介转换，可以直接作直线运动的电
动机。其可以看成是旋转电机演化而来。直线电机可以看成是旋转电机沿径
向剖开，然后拉直得到。图 1-1 是由感应式旋转电机演变成扁平式直线电机
的过程。因此，从原理上讲，每种旋转电机都有相应的直线电机。
摘要：

摘要随着现代科技的发展，材料学的不断完善，制造工艺水平的进步，各种新型的特种电机成为研究热点，多自由度电机就是其中的一种新型特种电机。多自由度电机是指两个或两个以上的自由度，可以绕过定点空间的任意轴线的电机。多自由度电机具有结构简单，机械集成度高，驱动控制元件利用率高等特点，因此在工业领域里有广泛的应用前景。本文所研究的双三相直线旋转步进电机在传统的旋转式步进电机和圆筒式直线步进电机的基础上进行创新研究，使其既能旋转运动又能直线运动，还能螺旋运动，满足了对电机多自由度运动的要求。本文对这种电机的直线部分结构进行优化设计，并设计其驱动电路和控制策略。本文的主要研究内容如下：（1）电机结构的设计与...

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