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| 永磁盘式电一机械转换器控制研究(zxj) |
| 2012年5月17日 |
摘要：设计基于DsP低惯量永磁盘式步进电机控制器，采用电流和位置双闭环反馈控制，并将该控制系统作为数字伺服阀电一机械转换器。由于电流受电感和反电势的影响，电机械转换器的响应频率被限制在165Hz以下，采用一阶微分和惯性环节进行电流补偿校正后，该系统频率响应性能得到极大的提高，实验研究结果表明****响应频率达到215 Hz。
关键词：控制器；电机械转换器；电流补偿；响应频率0引 言电一机械转换器是一种将电信号转换为机械信号的装置。在数字电液伺服系统中，电机一械转换器是连接电气部分与液压机械部分的桥梁，功能是将输入的控制信号转换成相应的阀芯转角或位移。数字伺服阎的电机械转换器一般采用步进电机。永磁盘式步进电机输出的电磁转矩大，同时其特殊的磁化方法允许使用大量磁极，比传统的两极****磁铁步进电机的步进角小得多。转子设计有极低的转动惯量，产生优异的加速度和动态特性。以永磁盘斌步进电机作为数字伺服阀的电机一械转换器进行研究和分析。
1 永磁盘式步进电机结构和建模实验巾选用P0rtescap公司的型号为P430一258一00.5一01的永磁盘式步进电机。外形尺寸为39 mm×39 mm×47 mm，步距角为3．6。。表1是步进电机的实际参数，转动惯量几乎为零，能产生优异的加速度和动态特性，适合用在高速场合。 定子铁心分成四个部分，每部分由5个“c”形铁心按一定角度滑定子圆周排列在网弧内，并且固定在定子支架上，组成磁路，且极间分度为14．4角度。四个“月牙”形集中绕组分别嵌在四部分“c”形定子铁心内以组成两相绕组，其中L下为A相，左有为B相，覆盖的定子面约360机械角度。
转子采用圆形薄片稀土磁钢，轴向充磁25对极，且N-s呈放射状交替排列，并覆盖在定子磁钢上面。由于定子磁钢是u形磁铁，在A相和B相线圈中通入相位差为π／2的正弦波电流，转子极便与定子极对齐，通过气隙组成一闭合回路。其合成矢量旋转2π电角度，转子转动一个齿距角14．40．实现步进电机的连续运动。
电机械转换嚣的数学模型由以下儿个方程组成。为分析方便，假定定子齿的磁导按正弦规律变化；涡流和磁滞效应忽略不汁；相绕组沿定子圆周正弦分布。
(1)电压平衡方程永磁盘式步进电机的绕组电压平衡方程可表示为：
式巾，L为绕组电感；R为绕组电阻；K，为绕组的反电动势系数；θ为电机转子电角度；N为电机的齿数；ia，ib为绕组A、B电流；ua，uc为绕组A、B电压。
(2)电磁转矩方程永磁盘式步进电机的电磁转矩方程可表示为：
式中，T为电机电磁转矩；K为转矩系数。
(3)转子动力学方程根据力学定律可以写出电磁转矩t作用下的转子运动方程：
式中，T为负载摩擦转矩；J为作用转子上的等效转动惯量；口。为电机的摩擦阻尼系数；K为系统外加弹性刚度。
以上三个方程构成了电一机械转换器的数学模型。
2电一机械转换器控制器设计基于电流和位置双闭环控制算法，对步进电机的电流和位置实时检测，并通过一定的控制策略保证电机A、B两相电流和转子位置能够很好的跟踪输入信号。图2为永磁盘式电 机械转换器闭环控制的设计方案。
系统由控制部分，驱动部分和反馈部分组成。
为了实现步进电机在一个齿距角内的连续旋转，给电机的阿相分别通相位差为90。的正弦电流。对于电机这样的惯性环节，用PwM的方法可实现。即控制部分通过嵌入的特定算法对输入信号和反馈信号进行运算产生两路PwM信号，驱动部分用两个H桥把PwM信号转换成电机所需要的电流信号，再由反馈部分把电流和位置信号传给控制部分，从而实现精确的连续控制。
为保证电流为严格的正弦波，采川电流闭环，电流信号被反馈经PID运算用于调整相电流，以消除电感和反电动势的影响。这样A相和B相电流合成得到的旋转磁场的相位日。也具有更高的精度。为防止发生失步，及转子运行过程中的“漂移”采用位置闭环，在电机转子轴端安装位置传感器，实时测量电机转子的角位移8，通过嵌入在控制器内的算法始终保持失涧角口。日在半个齿距角的范围内，使转子快速动作以保持对输入信号的实时跟踪控制。
3 电一机械转换器电流控制及频率特性分析转子跟踪的好坏与控制电流有直接关系，频率较低时，转子能较好地跟踪控制信号，高频时受电感和反电势的影响，实际电流跟踪理论电流发q．严重的相位滞后，电流失真，导致电机转子失步。
一阶微分可以补偿正的相位角，但当到达转折频率剐‘，幅值以20dB／dcc速率增益。其传递函数为： 同时采用一阶微分和惯性环节校正电流，调整两个环节的转折频率，使其电流相位得到补偿的同时，减小幅值增益。超前补偿环节的传递蕊数为：
式中，参数n表示微分环节和惯性环节转折频率之间的倍数。取n=6，T=0．00016，仿真得到补偿环节的Bode图如图3所示。
图4为电流校正前，在幅值为25％****阀开口r，输入不同频率正弦信号的频率响应曲线。
电流补偿校正后，在同等幅值输入不同频率正弦信号下的响应曲线如图5所示。
电流补偿校正后，转子跟踪情况较好。在输入150 Hz正弦信号时，电流校正前后转子位置分别滞后79。和49。。根据在不同频率下所测的频率响应，可以得到图6所示电一机械转换器的相频特性。
实验结果表明，电路校正前后电一机械转换器相频特性一90。所对应频率分别为165 Hz和215 Hz，频率提高了30％。4结语对电机械转换器的频率特性进行研究。分析频率增加时电感和反电势对电流的影响，从而采用超前补偿环节对电流进行校正。实验对比校正前后相频图，采用电流校正后，电 机械转换器频响特性提高了30％。超前补偿环节有利于改善控制系统频响特性。 |
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