混合式步进电动机驱动系统电磁谐振问题的研究

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1、混合式步进电动机驱动系统电磁谐振问题的研究童　怀　任　雷　郑大鹏　　摘要　根据步进电动机绕组的具体通电情况，从电路拓扑结构的周期性变化规律中归纳出了驱动系统的统一等效电路，在此基础上讨论了系统的电磁谐振问题，并计算了电路的谐振频率，通过理论计算和实验验证，指出驱动系统的电磁谐振是步进电机升速过程中产生振荡的一个重要原因。本文的研究在交流伺服系统的运行性能分析中具有一定的普遍意义。　　关键词：　步进电动机　等效电路　电磁谐振TheElectricResonanceintheHybridStepMotorDriveSystemTongHuai　(GuangdongUniversityofTech

2、nology　510643　China)RenLei　(QinghuaUniversity　100084　China)ZhengDapeng　(HarbinInstituteofTechnology　150001　China)　　Abstract　Thepapergivestheequivalentelectriccircuitofthehybridstepmotordrivesystem,basedontheworkmodeofthewindingsandthechangingregularityofthecircuit.Theelectricresonanceinthedrivesyst

3、em,isanalyzedandtheelectricresonanceisregardedasareasoncausingtheoscillationofthestepmotorinlowfrequencyband.TheproblemdiscussedinthispaperhassomepopularsignificanceinACservosystem.　　Keywords：　Stepmotor　Equivalentelectriccircuit　Electricresonance1　前言　　混合式步进电动机的驱动系统本质上是一种开关电源，因此对驱动系统中电感、电容等参数的设计计算一般

4、采用了开关电源，文献［1，2］中提出的方法。但是这种开关电源的负载是特定的步进电机，针对这一特定的负载，有必要建立数学模型作深入的研究。　　步进电动机的低频振荡一般认为是由于电机的机械谐振引起的［3］，但是在开发设计驱动电源的实践中，发现电机的机械谐振点与低频振荡点相差较远；同时发现，如果合理调整驱动电源中电感值的大小，能有效地消除(或削弱)系统的低频振荡，使电机能顺利地从低速升到高速［4］。　　与普通的RLC电路不同，步进电动机驱动电源的主电路中存在开关管和续流二极管，根据绕组的具体通电情况，从电路拓扑结构的周期性变化规律中归纳出主回路的统一等效电路，这是本文研究驱动系统电磁谐振问题的思路

5、。本文推导出了针对具体环分逻辑下系统的等效电路，讨论了系统的电磁谐振问题，并计算了电路的谐振频率，通过理论计算和实验验证，得出了驱动系统的电磁谐振是步进电动机升速过程中发生振荡的一个很重要的原因。本文的研究结论可以为步进电动机驱动系统的优化设计提供理论依据。　　电磁谐振问题在交流伺服系统中的存在具有一定的普遍性，而关于这方面研究的文献报导较少，本文以混合式步进电动机驱动系统为例来详细讨论这个问题是有意义的。　　2　驱动系统的统一等效电路　　研究系统的电磁谐振问题，首先要推导出系统的等效电路。为了分析的方便，本文以一台三相混合式步进电动机为例来研究电机的驱动系统。步进电动机本质上是一台同步电机

6、，三相混合式步进电动机等效于一台隐极同步电机的等效电路如图1a［5］。其中La，Lb，Lc为各相绕组的自感；ra，rb，rc为各相绕组的电阻；Mab,Mbc,Mca为各相绕组间的互感；eoa,eob,eoc是旋转电动势，代表转子中永磁体在各相绕组中产生的磁链，因转子的转动在绕组中感应的电动势。　　图1　三相混合式步进电机的等效电路Fig.1　Theequivalentelectriccircuitofthe3phasehybridstepmotor　　为了推导驱动系统的统一等效电路，下面对图1a作进一步的分析。在图1a中，按电动机惯例规定各量的参考方向，可以列出三相绕组的电压方程电机的三相电

7、流满足关系ia+ib+ic=0　(2)同时，考虑到电机结构的对称性，可以认为电机各相绕组间的互感相等Mab＝Mbc＝Mca＝M　(3)这样式(1)可以化为　　根据式(4)，可以将图1a中的相绕组互感折合到绕组的自感中进行计算，于是可以得到电机的等效电路如图1b所示，这种对相绕组互感的处理有利于下面推导驱动系统的等效电路。　　图2为一台三相混合式步进电动机的升频升压驱动电源的主回路。与普通的RLC电路不同，这个