摘要：研究了利用諧波反電勢信號實現混合式步進電動機閉環控制的方法，分析了諧波反電勢信號的構成，設計了相應的位置信號檢測電路及步進電動機的微機控制系統。在此基礎上通過控制超前角改善電機的運行性能。

關鍵詞：混合式步進電動機，諧波反電勢，自同步運行，超前角

中圖分類號：tm383.6    文獻標識碼：a    文章編號：1001-6848(2000)01-0017-04

    在開環控制系統中，步進電動機的運行頻率是由信號源給定的，不受系統負載變化的影響。對應于一個固定的頻率，步進電動機相繞組的外加電壓與旋轉電勢之間的相位差隨著負載的大小而變化。當負載較小時，系統往往會因為電磁能量過剩產生轉子振蕩，消耗過剩的電磁功率；而在負載較大時，會因為電磁能量不足使電磁力矩小于受載力矩而失去同步。在閉環控制系統中，以轉子位置的特定信號控制繞組進行狀態轉換，不會出現開環運行所存在的振蕩與失步的問題。就開環運行本身而言，外加電壓與旋轉電勢相位差隨負載的大小而變化是一種電磁能量的自調節，但有時因為負載慣性很大或負載突跳等因素也會造成不穩定運行。在步進電動機自同步閉環運行系統中，用位置信號控制相序轉換，使旋轉電勢與外加電壓的相位保持一定的差值，通過運行速度的變化來調整電磁力矩和負載力矩的平衡關系。本文主要介紹利用諧波反電勢信號實現四相混合式步進電動機位置閉環自同步運行的方法。基于時間延遲的控制思想，系統采用微處理器靈活、方便地控制超前角，改善電機的運行性能。

    文獻[1]提出了一種利用諧波反電勢信號實現步進電動機轉子位置檢測的新方法，推導出諧波反電勢的表達式如下：

    式(1)中第一頊為轉子永磁作用的結果，與電機的通電狀態無關，后兩項是定子繞組勵磁產生的影響。由于am+2ao》2a4，因此第三頊的8次諧波幅值很小。可見，傳感器的輸出信號是兩個正、余弦4次諧波信號的疊加，其中的余弦成分與定子繞組電相電流的幅值有關。當定子繞組開路，電機被拖動旋轉時，定子繞組相電流，-0使傳感器的輸出僅含式(1)中的第一項。它是一個標準的正弦波，其幅值和周期隨轉速而變（如圖1所示）。

   當電機通電運行時，由于im隨頻率的升高逐漸減小，因此余弦成分所占的比例也逐漸變小。圖2為電機以4拍4-4通電方式運行時，不同頻率下外加脈沖信號與傳感器輸出信號間的對應關系。由圖2可見，低頻時傳感器輸出信號的過零點基本與外加脈沖信號的上升沿同相；當頻率升至2khz時，傳感器輸出信號的過零點超前外加脈沖信號r/2電角度。實驗結果證明了理論分析的正確性，也為電機閉環控制時有效、方便地調節超前角提供了依據。

    傳感線圈提取的反電勢信號不能直接驅動環形分配器，需將正弦波信號變換成脈沖信號，經單穩態觸發器整形后作為位置與速度信號，其電路如圖3所示。

   

    圖3中以比較器lm393為核心構成了具有滯回特性的單電源檢零電路。可變電阻vrz從輸出端引一個電阻分壓支路到比較器的同相輸入端，使過零輸出離開零的位置，出現滯回特性，以避免比較器的輸入電壓恰好在過零附近，由于零點溫漂的存在其輸出將有多個正負極性的極限電壓出現，造成多個假零點。調節vrz可以改變回差的大小，解決回差引起的測量精度和零引起的不稔定的矛盾。電容cl用于提高輸出電平的轉換速度。保護二極管d1用于防止輸入小于-0. 6v。電位器vri用于節比較電平的值，為減小檢零誤差應選擇vr1≤r4/10.555定時器構成的單穩態觸發電路用于去除脈沖前沿的抖動，以避免電機運行中的誤動作。