内置位置传感器混合式步进电机驱动系统

责献国等 内置位置传感器混合式步进电机驱动系统
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（１４ｊ ‰：一哗弘１＋导）”可ｐ，‘ｆＮｇ一３
（１５）
式（１４）和式（１５）相加即为鉴幅型角度测量—般表达式 ｘ，。：￡！；：！绝ｘ：。譬ｎ：一￡１２挚￡！‘；！垒ｉ
”ｄ＝Ｖｌｓｉｎ（≯一０）ｓｉｎｗｔ
ｄｗｍⅫ…ｔｌ………【一ｏｆ ｄ。＿。Ⅱｒ帆Ｉ“ｄ∞ｌｎ浏”目…ｇｄＨ曲ｍ 自机“机自拄制及自动化等技术领域的研究工作，发表学术论文７０余樯。
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万方数据
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ＴＴ…ｌｅｄ％ｈ州嶝Ｉ，ｒｉ唧‘一ｈ删＃’㈣目
第ｔ５卷第１期
贵献国等 内罱位置传感器混合式步进电机驱动系统
万方数据
３ 信号处理及误差分析
上面已经推导出这种新型传感器的输出为与电 动机反电势同频的两路正变调制信号，和跟踪型轴 角变换器构成测角系统，可为电机的自同步闭环控
电工技术学报
２Ｇ００年２月
制提供换相信息和连续的转子位置信息。图３为相
敏解调电路原理框图，正弦波发生器由精密函数发 生器８０３８构成，频率调整在传感器线圈电感和电容
由式（９）并考虑３次以卜谐波的影响
３（Ａ）＋△（Ｂ）＋Ａ（Ｃ）＋△（Ｄ）＝４△ｏ＋弛∞媳＋
则可得
Ｋ＝Ｖ１ｃｏｓ０。ｓｉｎｗｔ
＋９≠（４№。“以＋
自于墅≠（４№删。十¨）《枷ｏ
Ｋ“ｃ媳一ｍｃ（１堕≮垒ｃ删。） （１９）
可见４Ｋ次谐波对系统误差的影响体现为函数误差。 由式（７）可知，气隙碰阻中的３次谐波对系统误差的 影响也体现为函数误差。
ｂａｓｅ．ｔｈｅ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ ｏｆｃｏｎｔｈｍｏｕｓＩＤｃｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ。ｆｔｈｅ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｔｅｐｐｉｎｇｍｏｔｏｒ
ｓ日一ｏｆ ｉｓ ｐｍｐ８ｅｄ Ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｆｆ＿ｌｌｎｅｎｔａｌ ｔＨｕｈｓ Ｔｈｉｓ ｐｅｓｉｔｉｏｎ
（２）
式中 Ｇ，——气隙比磁导ｉ次谐波分量
０。＝Ｚ。０
ｚｉ一转子齿数
目——定子转子齿中心线间夹角 由式（２）可见，气隙比磁导的基波分量包含了连续 的转子位置信息。以四相混合式步进电机为例，电机 主绕组和检测绕组分布如图１所示。电机转子为三 段式结构，定子为８极且定子主极在转子分段处开
槽阻便安装检测绕组，Ａ、Ｃ和Ｂ、Ｄ分绕在相应转子 不同段的定子主极上，“消除互感影响。同段的Ａ和 ｃ空间Ｅ相差９０‘’，Ｂ和Ｄ亦是如此。每个检测绕组绕 在对极上的两个线圈反串连接，消除反电势对检测
ｌ ２ｌＨｌＨ
选取谐振电容为０ ｌｇＦ，为使整个回路在任何时候 都呈感性，谐振频率调整为１８ｋＨｚ。
由于Ａ１》Ａ ３，则
Ｋ。Ｊ ４可？Ｖ？１Ｕｃｏｓ０。ｓ…￡ （１２）
ｑ。一，蛔掣ｓｉｎｏｅ—ｍ￡（１３）
式中 Ｒ＝Ｒｏ＋ＲＬ＾＋Ｒｔｚ＋ＲＭ＋ＲＥＤ
Ｒｎ——励磁电源输出阻抗 Ｋ——Ａ、Ｃ两相绕组输出电压波形 Ｕ——Ｂ、Ｄ两相绕组输出电压波形
ｂｕｉｋ—ｉｎ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｎｌａｋｅ ｔｈｅ ｆｏｍｌｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｌｏｓｅ｜ｌ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ０ｆ ｓｌｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｏｆ ｂｕｉｌｔ ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｌｎｏｔｏＹ
ｉｎｔｅｇｍｔｅｄ
Ｃ Ｋｎｏ ＰＭ ｄ ２２ｎｄ
Ｓｙｍｐ ｏｎ ｋＭＣＳＤ Ｕｎｉｖ册ｌｔｙ ｏｆｍｉｌｍｉｓ．１９９０ ２４３～２５０
６王宗培，姚宏等步进电机计算和设计方法的研究
化。设一个定子磁极下的气隙磁导为△，一个齿距范
围内单位铁心长度的气隙磁导称为气隙比磁导，用Ｇ
来表示，其经验值可用磁场数值方法求出”一。则
△＝膳；Ｇ
（１）
式中卜 气隙计算长度，近似等于铁心长度 ｚ；——定子每极齿数
显然，气隙比磁导是转子位置角的周期函数，用傅里 叶级数形式表示如下
Ｇ＝Ｇｏ＋Ｇ１ＣＯＳ以＋Ｇ２ｃｏｓ２以＋ ＋Ｇｃ０８／０，＋¨
ｃ串联谐振频率上，这时传感器输出波形幅值最大，
有效地降低于扰的影响。由式（１２）、（１３）可见，匕、 Ｋ的相位超前于励磁信号ｕ９０。，相敏解凋的参考信
号须经有源移相器超前移相９俨以免产生相位失
真。相敏电路由模拟开关ＤＧ２０１构成，输入调制信号
幅值可为一１２Ｖ一＋１２Ｖ，低通滤波器滤掉解调后包 络信号中的高频信号。
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●
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时间ｌ（１Ⅲ一楮）
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图３相敏解调原理框图
Ｆｉｇ ３ Ｓｆ：ｈｅｍａｔｉｃ ｄｌａｇｒａｎａ ｏｆ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
用图３相敏解调再经低通滤波器，可解调出带 有位置信息的低频包络信号。图４为电动机整步 ４ ４拍运行时低通滤波器输出波形。显然，这两路 信号经过零比较器后的换相信号包含４个换相状态
摘要提出了一种应用于混合式步进电机闭环驱动的内置位置传感嚣技术，利用气隙比磁导 法分析了这种新型传感器的工作原理，在此基础上提出了利用步进电机磁阻变化实现连续转子位
置的检测方法。实验结果验证了理论分析的正确眭。这种内置位置传感器为实现步进电机自同步
闭环控制奠定了基础。
ｔｈｉｓ…ｉｓ 关键词：内置位置传感器混合式步进电动机气隙比磁导法 自同步闭环控制
如图５。正转时，Ｋ超前Ｋ９妒；反转时，Ｕ超前Ｋ孵。
据此可进行方向鉴别。电机开环细分模式运行低通 滤波器输出信号波形如图６～８，细分数越大，位置 信息的连续性越强。到了３２细分时，吒、Ｕ渡形基本 上是连续的。由图４～８可见实验结果和理论分析相 吻合。
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Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｐｅｓｉｆｉｏｎ Ｓｅｌｌｓｏｒ ｏｆ ｂｕｉｌｔ－ｉｎ ｔｅｃｈｌ】ｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｂｙｂｆｉｄ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｎｌｏｔｏＴ ｃｌｏｓｅｄ—ＩＭｐ ｄｒｉｖｅ ｉｓ ｐｒｏ－
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ａＩｌｄｙ日ｅｄ ｕ目１１９ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ０ｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｅｒｍｅａｎｃｅ ０ｆ ａｉｒｇａｐ Ｏｎ ｔｈｉｓ
１９９１、２７（５）９２８—９３３
Ｎｏｂｕ灿５ ３
Ｍａｔｓｔｉ，ＭａｓａｋａＩｌｅ Ｓｈｌｇｙｏ ＢｍｓＭｅ龉ＤＣ ｈｉ．ｏｒ ｃｏＨ—
ｓｐｃｅａ＊一ＩＥＥＥ ｔｒｏｌ ｗｉｔｈｏｕｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ
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１９９２，２８（１ Ｊ－１２０～１２７
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图４整步４—４拍相敏输出
Ｆｉｇ ４ Ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｄｅｍｏｄｕｌａｌｉｏｎ ｉｎ ４—４
本文提出的这种内置式传感器作为角度传感元 件可以和跟踪型轴角数字转换器构成测角系统如图 ９。可见 百度文库方数据
Ｆｉｇ ６
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第１５卷第１期
（１）优点。结构简单，安装方便，不增加电机的 体积，成本低廉；可实现电机方渡和细分两种模式的 自同步闭环驱动；克服了反电势波形检测技术中的 自起动问题．
（２）缺点。检测绕组和主绕组磁路耦合，抗干扰 性差；传感器的误差分析及补偿较难实现。
这种传感器集成技术为非直接传感步进电机自 同步控制奠定了基础。
参考文献
（９）
利用串联谐振技术设计出检测绕组的连接方式
如图２所示。
图２检测绕组连接方式
Ｆｉｇ ２ Ｌｉｎｋａｇｅｍｏｄｅ ｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｃｏｉｌ
设载波信号为
式中
，
Ｍ＝Ｕｓｉｎｗｔ
（１０）
Ｘ＝２ｒｃｆＮ２Ａ
（１１）
Ⅳ——一相检测绕组匝数
Ⅳ＝５０匝
Ａ——一相检测绕组磁导
Ⅳ２Ａ：￡
￡——一相检测绕组电感，其值为１ ０８～
信号的影响。
电机及传感 器引出线
传感器绕组 电机绕组
ｔｈｅ… 图１ 电机及传感器结构分布圉
Ｆｉｇ １ Ｓｔｍｃｔｍ ｏｆ ｔｈｅ ｎ／ＯｌＯ［ａｎｄ 忽略３次以上谐波，检测绕组的气隙磁导可表
△（Ｂ） △（Ｄ）＝２ＡＩ ｓｉｎ０，＋２Ａ３ｓｉｎ３０。
（８）
△（Ａ）＋△（Ｂ）＋△（Ｃ）＋△（Ｄ）＝４Ａｏ
（１６）
玑经参考信号解调后由Ｒ／Ｄ中的Ⅱ型伺服回路变
为零，从而使口＝目。系统综合误差分析见文献［８］。
下面讨论该传感器自身误差及阻抗不匹配误差。
ｎ
Ｋ３一昔如 可见，该传感器阻抗不匹配使输出零点飘移，同时又 形成幅值误差和函数误差，这一点与旋转变压器不 同。
４结论
图９ 跟踪型轴角变换器原理框图 Ｆｉｇ ９ Ｓｃｈｅ呲ｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｒａｃｋｉｎｇ ＲＤＣ
（ＢＬＤＣ），调制解调法以及电感法（ＳＲＭ）”∞Ｊ。以 上这些波形检测技术１二作于电机的特定时刻，不能 获得连续的转子位置信息．
本文提出了一种新颖的连续转子位置检测技 术。步进电机的电感是转子位置的周期丽数，通过 在电机主极上缠绕传感线囤检测步进电机的磁阻变 化，从中提取出基渡信号作为转子位置信等构成闭 环驱动系统，解决了开环的失步、震荡问题，改善 系统动态品质，降低系统成本和体积，这对理沧和 应用都具有重要的意义。
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ＰＰ．Ｈ”ｐｅｒ ＣＷ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆⅫⅢｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎ ｓｔｅｐ－
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１９８５．３２（３）２１５～２２２
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ｐｏｍｆｉｏｎ—ＢＰＭ一｝ｌｒ０…ｍｏｔｏｒ ｉｎｇｔｅｄｍｉｑｕ∞ｆｏｒｉｎｄｉⅢＩｍ ｐｒｓｉｆｉｏｎ ｓｃｒｒｓｉｎｇｉｎ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｄｕｃ—
ｔａＴ＿ｃｅｍｏｔｏｒｓ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ帅Ｉｎｄ １９９４，３０（１）：８５～９１
５ Ｐｍｌｐｈ Ｈｏｒｂｅｒ ＳｅⅧｆｉｍｏｔｏｒ
ｔｈ ｆｕｌｌｙ
假设检测线圈Ａ阻抗比其他三相大卢倍，卢《
万方数据
＋△２ｃｏｓ２０。＋△３ｃ商∞
凸２ｃｏｓ２０。＋凸３ｃｏｓ３０ｅ） （２０）
＋Ｋ１ ｃｏｓ０。＋ Ｋ３ｃｏｓ３目。）
（２１）
在多段式混合步进电机定子磁极上缠绕传感线 圈检测电机电感变化可为步进电机闭环控制提供位 置信息，这种新型的位置传感器具有以下优缺点：
第１５卷第１期
电工技术学报
２０００年２月
内置位置传感器混合式步进电机驱动系统
Ｈｙｂｄｄ Ｓｔｅｐｐｉｎｇ ＭｏＯｒ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｂｕｉｌｔ－ｉｎ Ｓｅｎｓｏｒ
贵献国 徐殿国 王宗培（哈尔滨工业大学电气工程系１５０００１） Ｇｕｉ Ｘｉａｎｇｕｏ‰Ｄｉａｎｇｕｏ Ｗａｎｇ Ｚｏｎｇｐｅｉ（Ｈａｒｂｉｎ ｈｍｆｉｔｕｔｅ ｏｆ ＴｅｃｌｍｏＩｏｇｙ １５０００１ Ｇｈｉｕａ）
Ｓｅｌｆ－ｓｙＩｌｅｂｍｎｏｕｓ ｃｌｏｓｅｄ一‰ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｌｕｅｔａＪｌｃｅ ｏｆ ａｉｒｇａｐ
１序言
步进电机开环模式运行时的失步和机械震荡等 问题一直因扰着步进电机的设计者和使用者。在闭 环模式中，需要转子位置传感器使定子的励磁和转 子位置同步。目前，大多数控制器采用直接位置传 感器，例如光电码盘，霍尔效应传感器等。直接位 置传感器的使用增加了系统的成本。同时，传感器 与电机的机械连接及传感器和控制器的电连接使系 统的可靠性降低。自从１９８５年Ｐ Ｐ Ａｃａｒｒｄｅｙ提出通 过监测ＳＲＭ相绕组电流实现位置检测的方法以来， 对非直接位置传感驱动系统的研究发展飞速…。近 年来国外发展的有关无位置传感器的位置信号检测 方法主要有以下几种：反电势法，瞬时电压方程法
２非直接转子位置传感器的结构设计和理 论分析
步进电机电磁转矩的产生是基于气隙磁导的变
１９９９ ０３ １６收到稿件，
青献目ｇ．１９ｎ年±暗尔滨工业大学电气工程系博士研究｝，Ｉ《研究方向为电力电子厦电机的微机控制。
徐＆目男，１９６０年｝，教授博±±｝㈦毕业ｆ喑尔滨工业大学，故博±学位现任哈尔滨工业大学自气工程系主任，从事自力自｝、