永磁同步电动机的开环步进驱动器的研究
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［］ ２ 纪名刚． 机械设计 ［ ． 高等教育出版社 ，０６ Ｍ］ 北京： ２０ ． ［］ ３ 单成详 ． 传感器 的理论与设计基础及其应用 ［ ． ： Ｍ］ 北京 国防工业出版
社 ，９ ９ １５ ２ ６ １９ ：８ — ０ ．
算机的智能接 １， ： 因此可以根据需要扩展各种功能。２参数可诃 眭： ３ （） 整。３适应眭： （） 对于采用不同传感器的电子油门， 本设计的信号处理 电路都适用。（） ４ 可靠陛高： 该信号处理电路结构简单 ， 可靠性高。
ｄ ｉｅ ｒｖ
中图分 类号 ：Ｈ１ 文 献标识 码 ： Ｔ ６ Ａ
１ 引言
和改善。 但步进电机 的低功率密度的问题仍然存在。 主要是由 这
虽然为增加步 开环增量运动控制系统的执行器被广泛采用 ，步进 电机 的 开环步进电机的适应增量运动的固有结构决定 的。 进 电机的功率密度采取了很多尝试 ， 但它 的功率密度仍 比一些其 研究和应用 已经开展 了很多年 ， 随着步进电机驱动和控制技术 的 Ｐ Ｍ） 发展 ， 多问题如谐振 、 很 较高的驱 动电流需求等 问题 已得到解决 他类型的电机如永磁同步电机（ Ｍｓ 低 。
【 摘
要】 步进电机是增量运动控制系统的主要执行机构。如果采用合适的驱动方式， 永磁 同步电
机 （ ｅｍ ｎｎ ｇｅ Ｓｎｈｏｏ ｓ ｔｒＰ Ｍ） 步进 电机 （ｔ ｐｎ ｔｒ都 可 以．作在 步 进模 式 。 Ｐｒ ａｅｔ ｎｔ ｙｃｒｎｕ ｏ， ＭＳ 和 Ｍａ Ｍｏ Ｓｅ ｉｇＭｏ ） ｐ ｏ Ｙ － 主要 研 究永磁 同步 电机 的开环 步进驱 动 器的理 论和 方法 。通过 对永磁 同步 电机 的驱动 方式 的深入 研 究
发 现 ， 其驱 动 器 中 引入 一 种新 型 开环 脉 冲 宽度 调 制 （ ｕｓ ｄｈＭｏ ｕａｅ ， ＷＭ） 区时 间补偿 方 在 Ｐ ｌ Ｗｉｔ ｄ ｌｔｄ Ｐ ｅ 死
法 ， 可 以改善 永磁 同步 电机 绕 组 电流 的控 制精 度 ， 而也进 一 步提 高 了永磁 同步 电机在 步进 驱 动模 就 从
第 ２期 ２１ ０ ２年 ２月
文章 编号 ：０ １ ３ ９ （ ０ ２ ０ — １３ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）２ ０ ４ — ３
机 械 设 计 与 制 造
Ｍ ａ ｈｉ ｅ ｙ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｎ ｒ ｓｇ ＆ Ｍ ａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆｃｕｅ １３ ４
永磁 同步 电动机 的开环 步进 驱动 器的研 究
Ｌ ＵＡＮ ｕ ｌ Ｊ —ｉ
（ ｈ ｎ ａ ｇＶ ｃ ｔ ｎ ｌ ｎ ｅｈ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ，ｈ ｎ ａ ｇ１０ ４ ，ｈｎ ） Ｓ ｅ ｙ ｎ ｏａ ｏ ａ ａ ｄＴ ｃ ｎｃｌ ｏ ｅ ｅＳ ｅ ｙ ｎ １０ ５ Ｃ ｉａ ｉ ｌ
ｔ 十 一 十 、± 十瞳 ｑ 、 一 ￡ 、 ” 十 一 十 ’ ｌ 十 — ｄ ● 、ｔ十 １ § ● ｑ、 ‘十 毒 、ｔ十 ｑ、 ｌ 十 １、 ｔ 十 、 ｑ、 ● ｌ ｑ、 ｔ ＂ 十 ｑ、 十’、 ｔ ●
式下步距 的控 制精度 。 关 键词 ： 永磁 同步 电机 ； 进 电机 ； 步 开环 ； ＷＭ； Ｐ 驱动
【 ｂｔ ｃ】 ｔ ｐｎ ｏ ｒｉ ａｍ ｉ ａｔ ｔ ｃ ｍ ｎ ｌ ｏ ｏ ｏｔ ｌ ｙｔ ． ｅｐ ｒ ａｅｔ Ａ ｓ ａｔ Ｓ ｐ ｉ ｍ ｔ ａ ｃｕ ｏ ｔ ｉ ｒ ｅｔ ｔ ｎｃｎ ｏ ｓｓ ｍＴ ｅ ｎｎ ｒ ｅ ｇ ｏ ｓ ｎ ａ ｒｆ ｎ ｅ ａ ｍ ｉ ｏ ｒ ｅ ｈ ｍ
为执行机构的开环增量运动控制系统 。 新的控制系统具有 比步 因此 ， 当前 在开环 系统 中的实 际电流波形不是正弦波 如图 ２ 所
进 电机系统更 高的功率密度 ， 同时它可以同步进 电机一样运行 。 可能性 。 永磁同步 电机的开环步进驱动器的基本方法将在这里 的 第二部分中加 以讨论 ， 在第三部分将分析开环死 区时间补偿的方 示。 图 ２ 从 所示 的波形记录时的永磁 同步电机的转速约 ３ ｒ ｎ ．／ 。 ７ ｍｉ 将研究用永磁同步电动机模仿步进电机 的开环运动特征的 在此 波形 中可以见到波形谐波 。
像它在步进电机 中的模式 ， 永磁 同步电动机还可以实现 “ 步进 ” 的
方式 。
在这些非线性 因素 中， Ｐ 在 ＷＭ控制信号的死区时间是最重
要的一条 。为了提高开环步进驱动永磁 同步电动机 的性能 ， 当 适
永磁同步电动机在步进模式工作是的绕组 电流波形 ， 如图 １ 的开环死 区补偿方法应该被使用。 所示 。 在这个图形中， 能够观察到跳跃 的现象 。 三个绕组 电流的某 些值对应电激 电机到一定的转子位置的磁 陛 ， 也对应一定的转 子 位置 。 这一位置与开环系统的负载转矩有关 。 因此 ， 切换过程即为 相邻的对应转子的一步移动和电流值的调整 。因此 ， 电机在一个 电路周期中有 四个步骤 ， 图 １ 如 所示 。每个机械循环有 １ ６步， 因 为在实验中使用的电机有 四对电极 。
个位置旋转磁场矢量到另一个位置 ， 然后停在这个位置上 。这 是 通过对电机绕组施加适 当的激励 电压实现的。当然 ， 电压 出现了
“ 跃” 形。 跳 波
｝ ， ： ｌ ’ １ ＿ ’ １ ． ▲ ｜ １ Ｉ ｒ ｒ
ｅ ３ １０ ｛ ｈ Ａ ｌ Ｍ ．ｓ１ ０ Ｓｓ １ ｍｓ ｔ １０ ０ ０ ／ ． ／ ０ ｐ Ａ ｃ ３３ ０ ｈ ／ ６ ｍＡ
法， 以改善步进间隔控制的精确度。
２永磁 同步 电动机 的开环wk.baidu.com进驱动方法
步进 电机和永磁同步 电机都是特殊的同步 电机 。永磁同步
电机具有 比步进电机较高的功率密度 ， 特别是在 高速运转的情况
●
： ７ ｙ
； ／
． ．
有
Ｊ Ｉ Ｉ 』
下 。步进电机是一种低速永磁 同步电动机 。 实施“ 步进” 的方案 ， 在步进电机 的电激磁场旋转“ 跳跃” 模式 。换句话说 ， 迅速地从 一
设计的应用 ， 了现代汽车的发展趋势 ， 顺应 不再需要繁琐的机械控 合理胜， 设计的机构更加的人 Ｉ ， 生化 舒适化 。
制， 而更多的是利用电子控制来达到更精准的操作。利用电子控制 参考 文献 １ 吴宗． 机械设计实用手册［ ． ： Ｍ］ 北京 化学工业 出版社 ，９ ９ １９ ． 单元控制此装置 ， 也是为了达到操作精准的 目的 ， 电子控制还 ［ ］ 并且 具有以下几个优点 ：１可扩展 陛： （） 由于设计的信号处理电路是带计
３开环死 区补偿
几乎所有现有 的死区补偿方法都直接或间接地需要 的电流 或电压的反馈信号 。 在这里 ， 如何在开环系统 的补偿是一个新
★来稿 日期 ：０ １０ — ６ ２ １－ ４ ２
油门踏板的—体化联动 ， 避免了驾驶员脚在两个踏板之间的频繁转 现 了机 电一体化的设计 ， 增加了机构的控制反应速度 ， 减少 了能 化， 减轻了驾驶疲劳 ； 还实现了刹车踏板和油门踏板的机械互锁 ， 避 量的消耗 ， 提高了工作的效率 。 与此同时 ， 新型侧压式安全油门在
ｍ ｇ ｅ ｓｎ ｈｏ ｏ ｓｍ ｔ Ｐ Ｍ）ａ ｅｌ ｔｅｓ ｐ ｉｇｍ ｔ ， ａ ｏｋｉ ｔ ｐｎ ｄ ｉ ｂｅ ａ ｎ ｔ ｙ ｃ ｒｎ ｕ ｏｏ ｒ（ ＭＳ ，８ ｌ ∞ ｈ ｔ ｐ ｎ ｏ ｃ ｒｗ ｒ ｎｓ ｐ ｉ ｍ ｅｉ ｓ ｔ ｌ ｗ ｅ ｏ ｒ ｔ ｅ ｇｏ ｆ ｕａ ｄｉ ｎ ｅｈ ｄ ｉ ａｐｉｄ ｔｍ ｉｌ ｓ ｄｅ ｔｅ ｏ ｅ －ｏｐ ｓ ｐ ｉｇ ｄｉ ｈ ｏ ｎ ｔｏ ＭＳ ｒ ｉｇ ｍ ｔｏ ｓ ｐ ｌ ． ａｎ ｔ ｉ ｈ ｐ ｎ ｌ ｔ ｐｎ ｒ ｅ ｔｅｒ ａ ｄ ｍｅ ｄ ｏ Ｐ Ｍ． ｖ ｅＩ ｙ ｕ ｓ ｏ ｅ ｖ ｙ ｈ ｆ Ｔ ｒｕ ｈ ｉ ｅ ｓ ｅｓ ｄ ｎｔｅｄｉ ｎ ｄ ＭＳ ａｎ ｖｌ ｐ ｎ ｌｏ ｏ ｐ ｎａｉ ｔｏ ＷＭ ｈｏ ｇ ｔｎｉ ｔ ｙｏ ｒ ｉｇｍｏ ｅｏ Ｐ Ｍ， ｏｅ ｅ －ｏｐ ｃｍ ｅ ｔ ｎｍ ｈ ｄ ｏ Ｐ ｎ ｖ ｕ ｈ ｖ ｆ ｏ ｓ ｏ ｅ ｆ ｄ ａ －ｉ ｔ ｄ ｃｄｉｔ ｔｅｄｉｅ ｐ ｏｅｔｅｃ ｎｒｌ ｒｃｓ ｎｏ ｗ ｎ ｉｇｃ ｒ ｎ， ｕ ｐｏ ｅｔ ｅｄ ｔ ｉ ｉ ｒ ｕ ｅ ｏ ｈ ｒ ｒ ｏｉ ｒｖ ｏ ｔ ｅ ｉ ｏ ｉｄｎ ｕｒ ｔｔ ｓ ｍ ｒｖ ｅ ｅ ｍ ｓｎ ｏ ｎ ｖ ｔ ｍ ｈ ｏｐ ｉ ｆ ｅ ｈ ｉ ｈ
免了在紧急情况下， 驾驶员误操作的发生。同时 ， 此机构 的结构设计 结构上实现 了刹 车油 门一体化 的联动 ，在性能上 实现 了定速巡
参考了人机工程学原理 ，在设计时充分考虑从 人操纵的具体隋况， 航 、 油门和刹车的双重互锁， 这也是本课题设计的创新点。 本课题 合理设计了脚步操纵机构的力度 ， 减轻了驾驶员的腿部疲劳 。电控 还运用 了人机工程学原理进行设计 ， 更加符合 了人体操 纵机构的
图 ２连续运行模式下 Ｐ Ｍ绕组的电流 ＭＳ
由于交流伺服系统 的执行器 ，一般电子连续激励磁场在永
步进运行的模式相 当于转速接近于零 的旋转模式 。凶此 ， 电
磁 同步电动机旋转的时候。如果我们的磁场旋转 中的“ 跳跃” 就 流波形将有更多 的谐波 ， ， 谐波会导致步距间隔的不均匀 。
ｃｎｒｌ ｒｃ ｉ ｓ ｐ ｉ ｅｖ ｎ ｅ ｅｐｎ ｉ ｄ ． ｏ ｔ ｅ ｉ ｏ ｏ ｔ ｔｒａ ｕ ｄ ｒ ｔ ｉｇｄ ｖ ｍ ｅ ｏ ｐ ｓ ｎｆ ｅ ｎ ｌ ｓｐ ｒ ｅｏ
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栾居 里
（ 阳职 业技 术学 院 ， 阳 ｌ ０ ４ ） 沈 沈 １ ０ ５ Ｓ ｕ ｙ ｏ ｐ ｎ ｏ ｐ ｓ ｅ ｐｎ ｉｅｒ ｆｐ ｒ ｎ ｔｍａ ｎ ｔｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｍｏ ｏ ｔ ｄ ｎ ｏ ｅ －ｌｏ ｔ ｐ ｉｇ ｄｒ ｅ ｍａ ｅｎ ｇ ｅ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｔ ｒ ｖ ｏ
４ 李科杰． 传感技术［ ． ： Ｍ］ 北京 北京理工大学 出版社 ， ８ ：８— ０ ． １ ９１２２８ ９ 如进入定速巡航的时间和模式 ， 都可以通过修改软件的方式进行调 ［ ］ ［］ ５ 张洪图． 汽车构造 ［ ． 北京理工大学出版社，９ ６ Ｍ］ 北京： １９ ． ［］ ６ 丁仁亮． ＴＡＶ 基础教程［ ． ： Ｃ Ｉ ５ Ａ Ｍ］ 北京 机械工程 出版社 ，０ ６ ２０． ［］ ７ 曾洪江 ， 黄聪． ＴＡＶ 机械设计从入 门到精通基础篇［ ． ： Ｃ Ｉ ５ Ａ Ｍ］ 北京 中 国青年 出版社 。０ ４ ２０． ［］ ８ 刘媛． 基于人性化设计 的新型刹车油门合成装置［ｊ Ｊ＿ 中国新技术新产
品 ，０ ９ １ （ ） ２ ０ ，１６ ．
５小结
设计 的新 型侧压式 安全油门的机械与 电控设计相结合 ， 实
１４ ４
栾居 里 ： 永磁 同步 电动 机的 开环步进 驱动 器的研 究
第 ２期
因此 ， 我们尝试使 用其他电动机 ， 例如永磁 同步 电动机 ， 作 关过程等 。 当电机 的转速低 ， 这些非线性 因素的影 响将更加显着 。
社 ，９ ９ １５ ２ ６ １９ ：８ — ０ ．
算机的智能接 １， ： 因此可以根据需要扩展各种功能。２参数可诃 眭： ３ （） 整。３适应眭： （） 对于采用不同传感器的电子油门， 本设计的信号处理 电路都适用。（） ４ 可靠陛高： 该信号处理电路结构简单 ， 可靠性高。
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１ 引言
和改善。 但步进电机 的低功率密度的问题仍然存在。 主要是由 这
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【 摘
要】 步进电机是增量运动控制系统的主要执行机构。如果采用合适的驱动方式， 永磁 同步电
机 （ ｅｍ ｎｎ ｇｅ Ｓｎｈｏｏ ｓ ｔｒＰ Ｍ） 步进 电机 （ｔ ｐｎ ｔｒ都 可 以．作在 步 进模 式 。 Ｐｒ ａｅｔ ｎｔ ｙｃｒｎｕ ｏ， ＭＳ 和 Ｍａ Ｍｏ Ｓｅ ｉｇＭｏ ） ｐ ｏ Ｙ － 主要 研 究永磁 同步 电机 的开环 步进驱 动 器的理 论和 方法 。通过 对永磁 同步 电机 的驱动 方式 的深入 研 究
发 现 ， 其驱 动 器 中 引入 一 种新 型 开环 脉 冲 宽度 调 制 （ ｕｓ ｄｈＭｏ ｕａｅ ， ＷＭ） 区时 间补偿 方 在 Ｐ ｌ Ｗｉｔ ｄ ｌｔｄ Ｐ ｅ 死
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第 ２期 ２１ ０ ２年 ２月
文章 编号 ：０ １ ３ ９ （ ０ ２ ０ — １３ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）２ ０ ４ — ３
机 械 设 计 与 制 造
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永磁 同步 电动机 的开环 步进 驱动 器的研 究
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式下步距 的控 制精度 。 关 键词 ： 永磁 同步 电机 ； 进 电机 ； 步 开环 ； ＷＭ； Ｐ 驱动
【 ｂｔ ｃ】 ｔ ｐｎ ｏ ｒｉ ａｍ ｉ ａｔ ｔ ｃ ｍ ｎ ｌ ｏ ｏ ｏｔ ｌ ｙｔ ． ｅｐ ｒ ａｅｔ Ａ ｓ ａｔ Ｓ ｐ ｉ ｍ ｔ ａ ｃｕ ｏ ｔ ｉ ｒ ｅｔ ｔ ｎｃｎ ｏ ｓｓ ｍＴ ｅ ｎｎ ｒ ｅ ｇ ｏ ｓ ｎ ａ ｒｆ ｎ ｅ ａ ｍ ｉ ｏ ｒ ｅ ｈ ｍ
为执行机构的开环增量运动控制系统 。 新的控制系统具有 比步 因此 ， 当前 在开环 系统 中的实 际电流波形不是正弦波 如图 ２ 所
进 电机系统更 高的功率密度 ， 同时它可以同步进 电机一样运行 。 可能性 。 永磁同步 电机的开环步进驱动器的基本方法将在这里 的 第二部分中加 以讨论 ， 在第三部分将分析开环死 区时间补偿的方 示。 图 ２ 从 所示 的波形记录时的永磁 同步电机的转速约 ３ ｒ ｎ ．／ 。 ７ ｍｉ 将研究用永磁同步电动机模仿步进电机 的开环运动特征的 在此 波形 中可以见到波形谐波 。
像它在步进电机 中的模式 ， 永磁 同步电动机还可以实现 “ 步进 ” 的
方式 。
在这些非线性 因素 中， Ｐ 在 ＷＭ控制信号的死区时间是最重
要的一条 。为了提高开环步进驱动永磁 同步电动机 的性能 ， 当 适
永磁同步电动机在步进模式工作是的绕组 电流波形 ， 如图 １ 的开环死 区补偿方法应该被使用。 所示 。 在这个图形中， 能够观察到跳跃 的现象 。 三个绕组 电流的某 些值对应电激 电机到一定的转子位置的磁 陛 ， 也对应一定的转 子 位置 。 这一位置与开环系统的负载转矩有关 。 因此 ， 切换过程即为 相邻的对应转子的一步移动和电流值的调整 。因此 ， 电机在一个 电路周期中有 四个步骤 ， 图 １ 如 所示 。每个机械循环有 １ ６步， 因 为在实验中使用的电机有 四对电极 。
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法， 以改善步进间隔控制的精确度。
２永磁 同步 电动机 的开环wk.baidu.com进驱动方法
步进 电机和永磁同步 电机都是特殊的同步 电机 。永磁同步
电机具有 比步进电机较高的功率密度 ， 特别是在 高速运转的情况
●
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下 。步进电机是一种低速永磁 同步电动机 。 实施“ 步进” 的方案 ， 在步进电机 的电激磁场旋转“ 跳跃” 模式 。换句话说 ， 迅速地从 一
设计的应用 ， 了现代汽车的发展趋势 ， 顺应 不再需要繁琐的机械控 合理胜， 设计的机构更加的人 Ｉ ， 生化 舒适化 。
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３开环死 区补偿
几乎所有现有 的死区补偿方法都直接或间接地需要 的电流 或电压的反馈信号 。 在这里 ， 如何在开环系统 的补偿是一个新
★来稿 日期 ：０ １０ — ６ ２ １－ ４ ２
油门踏板的—体化联动 ， 避免了驾驶员脚在两个踏板之间的频繁转 现 了机 电一体化的设计 ， 增加了机构的控制反应速度 ， 减少 了能 化， 减轻了驾驶疲劳 ； 还实现了刹车踏板和油门踏板的机械互锁 ， 避 量的消耗 ， 提高了工作的效率 。 与此同时 ， 新型侧压式安全油门在
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图 ２连续运行模式下 Ｐ Ｍ绕组的电流 ＭＳ
由于交流伺服系统 的执行器 ，一般电子连续激励磁场在永
步进运行的模式相 当于转速接近于零 的旋转模式 。凶此 ， 电
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栾居 里
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４ 李科杰． 传感技术［ ． ： Ｍ］ 北京 北京理工大学 出版社 ， ８ ：８— ０ ． １ ９１２２８ ９ 如进入定速巡航的时间和模式 ， 都可以通过修改软件的方式进行调 ［ ］ ［］ ５ 张洪图． 汽车构造 ［ ． 北京理工大学出版社，９ ６ Ｍ］ 北京： １９ ． ［］ ６ 丁仁亮． ＴＡＶ 基础教程［ ． ： Ｃ Ｉ ５ Ａ Ｍ］ 北京 机械工程 出版社 ，０ ６ ２０． ［］ ７ 曾洪江 ， 黄聪． ＴＡＶ 机械设计从入 门到精通基础篇［ ． ： Ｃ Ｉ ５ Ａ Ｍ］ 北京 中 国青年 出版社 。０ ４ ２０． ［］ ８ 刘媛． 基于人性化设计 的新型刹车油门合成装置［ｊ Ｊ＿ 中国新技术新产
品 ，０ ９ １ （ ） ２ ０ ，１６ ．
５小结
设计 的新 型侧压式 安全油门的机械与 电控设计相结合 ， 实
１４ ４
栾居 里 ： 永磁 同步 电动 机的 开环步进 驱动 器的研 究
第 ２期
因此 ， 我们尝试使 用其他电动机 ， 例如永磁 同步 电动机 ， 作 关过程等 。 当电机 的转速低 ， 这些非线性 因素的影 响将更加显着 。