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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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 8.46MB 78 页 15积分
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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。
双三相旋转直线步进电机控制策略研究与系统设计
2
图1-1 旋转电机到直线电机的演变
直线电机的很大一个特点是不需要中间转换装置，能直接做直线运动。
直线电机是近年来国内外积极研究发展的新型电机之一。直线电机主要有扁
平式、圆筒式、圆弧式和圆盘式等结构形式。图 1-2 为扁平式直线电机。
图1-2 扁平式直线电机
在用到直线运动的场合，可以直接选用直线电机来执行驱动。与传统的
旋转式电机相比，直线电机有很多优点：
（1） 由于直线电机不需要通过螺杆等把旋转运动转换成直线运动的中
间转换机构，因此节约了成本，缩小了体积。
（2） 由于不存在中间传动机构的惯量和阻力影响，直线电机直接传动速
度快，灵敏度高，随动性好，准确度高。
（3） 由于直线电机本身结构简单，在运行中与外界较少接触，因此直线
电机容易被密封，可以被用在核辐射以及有毒气体和液态的物质
中，适应性强。
第一章 绪论
3
（4） 直线电机有很好的散热功能，温升低，因此电流密度和线负荷能取
得更高，可以提高电机的容量定额。
（5） 直线电机的装配非常灵活，可以将直线电机和其他机件装备在一
起，合成一体。
直线电机也有其自身的缺点，如一般的直线电机气隙大，功率因数低，
效率低，存在单边磁拉力。
§1.3 国内外发展与研究现状
(1) 步进电机的国内外发展及研究现状
步进电机即使开环控制也能达到一定的精度，被广泛地应用于数字控制的各
个领域，尤其在数控车床领域应用更为普遍。近几十年来，很多办公自动化机器，
计算机外设和工业机械等领域都使用步进电机作为执行电机。
近年来，随着微电子技术的进步，大功率电力电子器件的发展和驱动技术的
完善，发达国家基本淘汰了反应式步进电机，普遍使用性能更加优越的混合式步
进电机。混合式步进电机其中一个典型的产品是二相 8 极 50 齿步进电机，其步距
角全步为 1.8
，半步 0.9°。此外五相 10 极 50 齿的步进电机也是一种比较典型
的混合式步进电机。步进电机的恒流斩波驱动和角度细分控制使步进电机在中小
功率应用场合精度更高，并且逐步在大功率领域中应用。日本是步进电机最大的
生产国，如日本的伺服公司，东方公司，MINEBEA 等公司都生产步进电机[35,37]。
早在 1958 年，我国就开始研究步进电机。到 70 年代，伴随着国内数控车床
和其他数控设备的发展，反应式系列步进电机在我国得到快速发展。80 年代我国
开始发展混合式步进电机，主要是两相混合式步进电机和四相混合式步进电机。
经过多年的发展，步进电机在我国品种繁多。
目前，混合式步进电机的发展前景最好。混合式步进电机又向以下几个
方向发展：1、小型化方向发展。瑞士的 ESCAP 公司研制出了很小的步进电
机，其外径只有 10mm[35,37]。2、改圆形步进电机为方形步进电机。由于方形
电机内部有较大空间，因此方形电机的转子比圆形电机大，故采用方形电机，
其力矩体积将比圆形电机大为提高。3、一体化设计。闭环控制可以使步进
电机控制性能更加优越，因此在设计电机时，考虑把步进电机的本体和闭环
所需的转子位置传感器设计在一起。4、步进电机向五相和三相发展。二相
和四相步进电机在目前应用较广，但其振动和噪声较大。五相步进电机和三
相步进电机是完全对称的，振动和噪音都较小，因此更有发展优势。
（2） 直线电机国内外发展及研究现状
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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作者：高德中 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：78 页 大小：8.46MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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