自走風(fēng)力滅火機(jī)離合電機(jī)控制精度的研究

楊春梅，吳 楠

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040)

在對(duì)風(fēng)力滅火機(jī)行走的控制中，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)連接軸和離合器以及其中的無(wú)級(jí)變速裝置相關(guān)聯(lián)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速以及精密度控制直接影響到對(duì)風(fēng)力滅火機(jī)的控制。在實(shí)際研究中，步進(jìn)電機(jī)是用遙控控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制，后續(xù)的研究也許要設(shè)計(jì)閉環(huán)控制，但是，步進(jìn)電機(jī)屬于一個(gè)離散化原件，脈沖控制不當(dāng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生失步或者過(guò)沖現(xiàn)象。而且控制粗糙，體現(xiàn)為步距比較大，不平滑等。引發(fā)的問(wèn)題是，滅火機(jī)的行走不平穩(wěn)，控制不精密。本文將步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)理論應(yīng)用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制中，很好地解決了這些問(wèn)題。

1 細(xì)分驅(qū)動(dòng)理論

1.1 恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的定子繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)按某種要求變化，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。最佳的細(xì)分方式是恒轉(zhuǎn)矩等步距角的細(xì)分［1］。合成磁場(chǎng)的矢量幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比，相鄰矢量夾角與步距角成正比，轉(zhuǎn)子的平衡位置是合成矢量的方向［2］。

實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵是要給予電機(jī)各相繞組階梯式的交流電。

1.2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

在保證電機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩輸出的技術(shù)基礎(chǔ)之上，要將各相電流進(jìn)行細(xì)分處理，細(xì)分的理論思路，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90°，就意味著電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)步距角［3］，將步距角n細(xì)分，則電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)學(xué)模型可表示為:

式中:n為細(xì)分?jǐn)?shù)，s為步數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)默認(rèn)是走一步轉(zhuǎn)1.8°的角度，360/1.8=200脈沖，所以步進(jìn)電機(jī)默認(rèn)是200個(gè)脈沖一轉(zhuǎn)，但是在本設(shè)計(jì)中精度要求高，而且要轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，1.8°不適合，所以就有了驅(qū)動(dòng)器上面的細(xì)分設(shè)置，例如，設(shè)置為10細(xì)分，即角度縮小了10倍(1.8/10=0.18)，就是指電機(jī)每走一步轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為0.18°。這樣精度就擴(kuò)大10倍。在電流設(shè)置方面，步進(jìn)電機(jī)有額定電流，比如某個(gè)電機(jī)的額定電流為4A，如果在驅(qū)動(dòng)器上面選的是2.25A，那么電機(jī)的力矩不能達(dá)到固有力矩，但如果設(shè)成5A，雖然增大了力矩，但相對(duì)的電機(jī)發(fā)熱也變大了，因此電流需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)置。一般小負(fù)載低轉(zhuǎn)速設(shè)小電流，而本設(shè)計(jì)用的步進(jìn)電機(jī)為57HS22型電機(jī)，電流設(shè)置為額定電流足夠。

2 電機(jī)細(xì)分試驗(yàn)與分析

從理論分析可知，電流的細(xì)分確實(shí)可以使電機(jī)的控制精度提高。為了確定具體的細(xì)分?jǐn)?shù)，以期能使平穩(wěn)性和定位精度達(dá)到最理想的效果，特設(shè)計(jì)了細(xì)分?jǐn)?shù)試驗(yàn)。

第一個(gè)試驗(yàn)是研究確定細(xì)分?jǐn)?shù)為多少時(shí)電機(jī)運(yùn)行最平穩(wěn)。采用示波器觀察波形，分析得出結(jié)果。試驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果從理論上來(lái)看，細(xì)分?jǐn)?shù)與平穩(wěn)性是成正比的，即細(xì)分?jǐn)?shù)越大，平穩(wěn)性越高。

第二個(gè)試驗(yàn)是研究確定細(xì)分?jǐn)?shù)為多少時(shí)電機(jī)的定位精度最好。采用電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)單步運(yùn)行，利用光柵尺和計(jì)數(shù)卡采集位置信號(hào)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出最佳細(xì)分?jǐn)?shù)。從理論上來(lái)看，最佳定位精度不是與細(xì)分?jǐn)?shù)成正比的，隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，定位精度是逐漸變好然后逐漸變差的過(guò)程，因此具體細(xì)分?jǐn)?shù)為多少時(shí)電機(jī)定位精度最好，還需要試驗(yàn)后分析數(shù)據(jù)確定。

2.1 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)與電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性測(cè)試

為了測(cè)試細(xì)分?jǐn)?shù)與電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的關(guān)系，特設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)。試驗(yàn)電機(jī)固有步距角為1.8°，固有步數(shù)為一轉(zhuǎn)200步。試驗(yàn)中，分別測(cè)試2、8和64細(xì)分時(shí)的相電流波形，實(shí)測(cè)波形如圖1所示，由左至右分別表征2、8和64細(xì)分實(shí)測(cè)波形。

圖1 不同細(xì)分時(shí)相電流波形圖Fig.1 Current waveform at different time phases

由圖1可以看出，當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)n越大，實(shí)際的電流曲線就越光滑，越逼近正弦，那么電機(jī)的運(yùn)行就越平穩(wěn)。

作為離合電機(jī)，它的轉(zhuǎn)速并不要求很高，這就引發(fā)了一個(gè)在低速運(yùn)行時(shí)容易引起的低頻共振問(wèn)題和噪聲問(wèn)題。而在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加細(xì)分?jǐn)?shù)n時(shí)，低速運(yùn)行時(shí)的共振和噪聲問(wèn)題也隨之改善了，甚至沒(méi)有了共振，噪聲也很小，原因是細(xì)分?jǐn)?shù)大，電機(jī)電流脈動(dòng)就小，其輸出轉(zhuǎn)矩造成的震動(dòng)就小，產(chǎn)生的噪音就小，就避免了噪音乃至影響到其他部件的諧振噪音的產(chǎn)生。

此試驗(yàn)的結(jié)論是:細(xì)分?jǐn)?shù)越高，電機(jī)運(yùn)行越平穩(wěn)。

2.2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)與電機(jī)定位精度關(guān)系測(cè)試

試驗(yàn)得知，細(xì)分?jǐn)?shù)越高電機(jī)的平穩(wěn)性能越好。為定量分析細(xì)分?jǐn)?shù)與控制精度的關(guān)系，設(shè)計(jì)一個(gè)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由同步帶傳動(dòng)。同步帶參數(shù)大致如下:主動(dòng)輪周長(zhǎng)100 mm;光柵尺分辨率0.001mm，由計(jì)數(shù)卡ENC7480采集位置信號(hào)。如圖2、圖3、圖4和圖5所示分別體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器2、4、8和16細(xì)分時(shí)步進(jìn)電機(jī)單步位移量的數(shù)據(jù)。

圖2 步進(jìn)電機(jī)2細(xì)分、平臺(tái)單步運(yùn)動(dòng)時(shí)每步的位移量Fig.2 The displacement of single-step movement on platform for 2 subdivisions of stepper motor

圖3 步進(jìn)電機(jī)4細(xì)分、平臺(tái)單步運(yùn)動(dòng)時(shí)每步的位移量Fig.3 The displacement of single-step movement on platform for 4 subdivisions of stepper motor

圖4 步進(jìn)電機(jī)8細(xì)分、平臺(tái)單步運(yùn)動(dòng)時(shí)每步的位移量Fig.4 The displacement of single-step movement on platform for 8 subdivisions of stepper motor

圖5 步進(jìn)電機(jī)16細(xì)分、平臺(tái)單步運(yùn)動(dòng)時(shí)每步的位移量Fig.5 The displacement of single-step movement on platform for 16 subdivisions of stepper motor

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析見(jiàn)表1。表1顯示，當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)為2或4時(shí)，單步位移的誤差較小，而隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，可以發(fā)現(xiàn)誤差越來(lái)越大。結(jié)合圖2～圖5，也可以看出當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)為8和16時(shí)，離散度明顯增加，定位顯然是不準(zhǔn)確的。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Experimental data

當(dāng)然，在試驗(yàn)中，誤差包含了機(jī)械上的誤差，例如導(dǎo)軌直線度誤差、傳送帶誤差和光柵尺測(cè)量誤差等，但是可以清楚地發(fā)現(xiàn)，在細(xì)分?jǐn)?shù)為16時(shí)，誤差增幅明顯加大，也就是說(shuō)當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)大于8時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的定位精度顯著下降，圖像顯示，其不均勻性顯著提高。

因此，細(xì)分?jǐn)?shù)不是越大越好，綜合考慮，細(xì)分?jǐn)?shù)為4時(shí)，定位精度是最理想的。

3 結(jié)論

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，可減小步距角，提高運(yùn)行平穩(wěn)度和控制精度。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證確定當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)為4時(shí)，電機(jī)的控制從穩(wěn)定性和定位精度的角度來(lái)看，都達(dá)到了最理想的效果。將試驗(yàn)得到的結(jié)果與理論結(jié)合，所研發(fā)的自走風(fēng)力滅火機(jī)的控制系統(tǒng)切實(shí)可行，試驗(yàn)證明，滅火機(jī)的運(yùn)行更為平穩(wěn)，控制精度有顯著提高。

［1］孔祥東.多細(xì)分三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器研究及實(shí)現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2005.

［2］李愛(ài)芹.基于DSP的三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2006.

［3］蔣 淳.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電流細(xì)分控制［J］.上海汽車，2010(10):15－20.