一種步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)熱的解決方法

陳起傳 余小平 龍小翠 任 龍

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

一種步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)熱的解決方法

陳起傳 余小平 龍小翠 任 龍

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

針對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器THB6064AH電流細(xì)分方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)熱損耗嚴(yán)重的現(xiàn)象，提出一種步進(jìn)脈沖序列包絡(luò)呈PWM變化的控制方法。該方法通過(guò)宏觀(guān)上縮短步進(jìn)電流持續(xù)時(shí)間來(lái)降低熱損耗；PWM開(kāi)通過(guò)程的步進(jìn)脈沖頻率按照拋物線(xiàn)曲線(xiàn)關(guān)系變化，減小了開(kāi)關(guān)切換引起的過(guò)沖和失步。實(shí)驗(yàn)表明這種方法有效降低了步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱量，并保證了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的連續(xù)性和穩(wěn)定性。此方法簡(jiǎn)單、便于程序?qū)崿F(xiàn)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)熱損 PWM 拋物線(xiàn) 電流細(xì)分

0 引言

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，可以通過(guò)改變步進(jìn)脈沖頻率或電流細(xì)分模式實(shí)現(xiàn)。較高的電流細(xì)分模式可以使轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)，并得到較大的輸出力矩，也能有效解決步進(jìn)電機(jī)低頻振蕩的問(wèn)題[1]。電流細(xì)分達(dá)到最高后，再降低步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就要降低步進(jìn)脈沖頻率。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在高電流細(xì)分和低電機(jī)步進(jìn)脈沖頻率的工作模式下，步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器工作發(fā)熱嚴(yán)重，甚至?xí)捎跍囟冗^(guò)高而損壞。步進(jìn)脈沖頻率降低使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度減慢，同時(shí)也增加了步進(jìn)電流的持續(xù)時(shí)間，從而增加了步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的熱損耗時(shí)間，使電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱[2-3]。所以降低步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，一般通過(guò)增加一個(gè)較大減速比的渦輪蝸桿減速裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。本文提出一種低速控制方法，通過(guò)軟件編程，使步進(jìn)脈沖序列的包絡(luò)按照PWM方式變化，從而減小電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的熱損耗，并且實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的低速控制。

1 步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱分析

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器THB6064AH以電流細(xì)分和整步電流方式工作時(shí)，輸出電流波形如圖1所示[5]。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的兩相電流正弦關(guān)系為Imsin(ωt)，相位相差90°，其中Im是驅(qū)動(dòng)器輸出電流最大值，ω是正弦包絡(luò)的角頻率[6]。

圖1 步進(jìn)電機(jī)工作電流波形

根據(jù)圖1可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流細(xì)分越高，驅(qū)動(dòng)電流變化越接近正弦變化，因此使用高細(xì)分方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)，兩相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率Pavg為：

(1)

式中:U為驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓;T為驅(qū)動(dòng)電流正弦包絡(luò)的周期。實(shí)驗(yàn)采用的是步距角為1.8°的57系列混合式兩相步進(jìn)電機(jī)，所以在整步工作和細(xì)分工作模式下，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同一負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)1°，驅(qū)動(dòng)器電流所做的功分別為W1、W2，它們與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度v(°/s)之間的關(guān)系如下：

(2)

(3)

式中:N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流細(xì)分?jǐn)?shù);f為步進(jìn)脈沖頻率，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等于步距角和脈沖頻率乘積，即v=1.8f/N。從式(2)、式(3)可得，在電流整步工作和細(xì)分工作模式下，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)相同負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度，電流做功隨著轉(zhuǎn)動(dòng)速度減小而增大。從步進(jìn)電機(jī)工作原理來(lái)看，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電流所做的功，極大部分轉(zhuǎn)換成了驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)熱量，僅有極少部分提高了電機(jī)的輸出力矩。如果步進(jìn)電機(jī)速度變?yōu)樵瓉?lái)的1/n，電機(jī)帶動(dòng)同一負(fù)載轉(zhuǎn)過(guò)相同角度，會(huì)有大約原來(lái)(n-1)倍的電流做功轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的熱損耗。為了解決步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的發(fā)熱問(wèn)題，下面提出步進(jìn)脈沖包絡(luò)呈PWM變化的低速控制方法。

2 脈沖包絡(luò)PWM控制方法

兩相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器THB6064AH具有8種電流細(xì)分方式，57系列混合式兩相步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率約為2 400 Hz，低頻振蕩頻率約為500 Hz。在保持較高輸出力矩的前提下，細(xì)分模式和步進(jìn)脈沖頻率調(diào)速對(duì)照表[7]如表1所示。

表1 步進(jìn)脈沖頻率調(diào)速范圍對(duì)照表

從表1可得，通過(guò)細(xì)分方式和步進(jìn)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速在15(°)/s～1 800(°)/s的連續(xù)調(diào)節(jié)。然而當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于15(°)/s時(shí)，驅(qū)動(dòng)器必須使用最高的1/64細(xì)分模式，同時(shí)脈沖頻率小于533 Hz。這種情況下步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)阻損耗和電機(jī)銅損會(huì)明顯增加，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)發(fā)熱。這種方式控制電機(jī)更低速運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)一步降低步進(jìn)脈沖頻率，這使驅(qū)動(dòng)器很可能因過(guò)熱而損壞，電機(jī)使內(nèi)部絕緣材料性能因過(guò)熱而下降。

鑒于PWM控制方式在直流電機(jī)調(diào)速控制和開(kāi)關(guān)電源等的廣泛應(yīng)用，將PWM控制方法應(yīng)用到步進(jìn)電機(jī)的低速轉(zhuǎn)動(dòng)控制中。PWM的調(diào)速原理如圖2所示。

圖2 PWM控制原理

步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)脈沖的包絡(luò)呈PWM方式，如圖2(b)所示。在時(shí)間Ton內(nèi)輸出驅(qū)動(dòng)器控制脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在時(shí)間Toff內(nèi)停止輸出控制脈沖讓電機(jī)停止。混合式兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在1/64電流細(xì)分模式，以1 000Hz的步進(jìn)頻率驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，可計(jì)算得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。于是可得包絡(luò)為PWM的步進(jìn)脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度為：

(4)

(5)

由式(4)可知，調(diào)節(jié)步進(jìn)脈沖PWM包絡(luò)的占空比D，就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度調(diào)節(jié)。在這種方式下，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行呈開(kāi)關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器的輸出功率為：

(6)

那么電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)1°，電流所做的功為：

(7)

將式(7)與式(3)相比較可得，電機(jī)步進(jìn)脈沖包絡(luò)呈PWM方式工作時(shí)，帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度，電流所做功不會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度降低而增大。脈沖包絡(luò)PWM方式是在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中插入停止延時(shí)來(lái)降低電機(jī)的運(yùn)行速度，宏觀(guān)上減小了每個(gè)步進(jìn)脈沖電流的保持時(shí)間，進(jìn)而減小了轉(zhuǎn)換成熱量消耗的電流做功。因此步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)因?yàn)闊釗p耗過(guò)多導(dǎo)致溫度升高損壞器件。

采用步進(jìn)脈沖PWM方式控制步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，減小了每步進(jìn)脈沖的持續(xù)時(shí)間，從而減小了電流做的無(wú)用功，解決了低速轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)熱問(wèn)題。但是步進(jìn)脈沖PWM包絡(luò)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，卻使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性下降，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生振動(dòng)。PWM包絡(luò)的頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換變得頻繁，電機(jī)運(yùn)行振動(dòng)嚴(yán)重；反之，PWM包絡(luò)的頻率過(guò)低，電機(jī)中途停止間隔較長(zhǎng)，運(yùn)行速度的連續(xù)性變差。而包絡(luò)頻率不論高低，頻繁的停止，會(huì)使得步進(jìn)電機(jī)的過(guò)沖誤差累積；頻繁的啟動(dòng)，會(huì)讓步進(jìn)電機(jī)的失步誤差累積。對(duì)于PWM控制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的振動(dòng)以及過(guò)沖和失步問(wèn)題，可以在PWM包絡(luò)的開(kāi)通過(guò)程中通過(guò)步進(jìn)脈沖的頻率按照加速、減速控制曲線(xiàn)變化來(lái)解決。

3 步進(jìn)脈沖頻率曲線(xiàn)變化

常用的步進(jìn)電機(jī)的加減速曲線(xiàn)算法有梯形曲線(xiàn)、指數(shù)曲線(xiàn)和S形曲線(xiàn)算法[8]。它們都包含加速、勻速、減速三個(gè)過(guò)程，并且通過(guò)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度或者加速度連續(xù)，來(lái)解決速度突變帶來(lái)的步進(jìn)電機(jī)振動(dòng)、過(guò)沖和失步問(wèn)題。如圖3所示是三種常見(jiàn)的速度和加速度變化曲線(xiàn)。

圖3 三種典型變化曲線(xiàn)

以上三種曲線(xiàn)算法中，梯形曲線(xiàn)計(jì)算最簡(jiǎn)單，但是加速度不連續(xù)；指數(shù)型曲線(xiàn)的速度轉(zhuǎn)換較快，但是加速度不連續(xù)，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜[9]；S曲線(xiàn)滿(mǎn)足加速度和速度都連續(xù)，但是曲線(xiàn)方程計(jì)算也相對(duì)復(fù)雜[10]。為了簡(jiǎn)化曲線(xiàn)方程的計(jì)算，同時(shí)保證速度和加速度的連續(xù)性，在步進(jìn)脈沖呈PWM包絡(luò)的控制方法中，選擇拋物線(xiàn)作為速度變化曲線(xiàn)。步進(jìn)脈沖頻率按照拋物線(xiàn)關(guān)系變化的曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 拋物線(xiàn)脈沖變化曲線(xiàn)

圖4中，兩條拋物線(xiàn)曲線(xiàn)方程分別為y1=(-t2+1 000t) / 250，y2=(-t2+2 000t)/1 000。兩條曲線(xiàn)相比，每個(gè)頻點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間一樣，只是選取的頻點(diǎn)數(shù)目不同(M1=10、M2=20)。如圖4所示，假如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以1/64電流細(xì)分、最高脈沖頻率為1 000 Hz工作，那么按照y1和y2曲線(xiàn)運(yùn)行的頻點(diǎn)速度對(duì)照如表2所示。

表2 y1和y2曲線(xiàn)頻點(diǎn)與速度對(duì)照表

當(dāng)每個(gè)頻點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間t0=100 ms時(shí)，頻點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，PWM包絡(luò)的頻率越低，從而很好地抑制了電機(jī)的過(guò)沖和失步。但這種條件下PWM頻率較低，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度連續(xù)性較差。例如，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度為5(°)/s時(shí)，分別采用曲線(xiàn)y1和y2實(shí)現(xiàn)脈沖頻率控制，PWM包絡(luò)的頻率分別為F1=0.27 Hz、F2=0.13 Hz，兩條曲線(xiàn)控制的速度連續(xù)性都較差。為了使電機(jī)低速運(yùn)行的速度連續(xù)性變好，需要提高PWM包絡(luò)的頻率，可以通過(guò)減小每個(gè)頻點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)。例如電機(jī)運(yùn)行速度為5(°)/s時(shí)，將每個(gè)頻點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間減小到t0=10ms，PWM包絡(luò)的頻率變?yōu)镕1=2.7Hz、F2=1.3Hz，電機(jī)運(yùn)行的速度連續(xù)性得到改善。而單個(gè)頻點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間不能無(wú)限減小，必須滿(mǎn)足至少能有一個(gè)步進(jìn)脈沖產(chǎn)生，所以PWM包絡(luò)的頻率要滿(mǎn)足F≤F0=fmin/M，其中fmin是拋物線(xiàn)上選取的最低脈沖頻點(diǎn)，M表示所選取的頻點(diǎn)數(shù)。所以通過(guò)減小選取的頻點(diǎn)數(shù)M，可以提高低速運(yùn)行時(shí)步進(jìn)脈沖PWM包絡(luò)的頻率上限。根據(jù)D=TonF，可得PWM包絡(luò)的頻率和占空比有如下關(guān)系：

(8)

當(dāng)M=1、D=100%、1/t0=f時(shí)，可得PWM包絡(luò)的頻率F=f，此時(shí)正是采用連續(xù)的步進(jìn)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的情況。而隨著每個(gè)頻點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間和選取的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)的乘積Mt0減小，PWM包絡(luò)的頻率變大，速度連續(xù)性變好。

綜上所述，脈沖頻點(diǎn)個(gè)數(shù)的值決定了步進(jìn)電機(jī)速度轉(zhuǎn)換過(guò)程中的振動(dòng)以及過(guò)沖和失步帶來(lái)的誤差，Mt0值決定了電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中速度的連續(xù)性。要減小過(guò)沖和失步誤差，就要增加M，而M的增加又會(huì)導(dǎo)致速度連續(xù)性下降。雖然不能同時(shí)使兩個(gè)指標(biāo)達(dá)到最佳，但是可通過(guò)調(diào)節(jié)M和Mt0，使步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)達(dá)到比較理想的工作狀態(tài)。當(dāng)t0確定后，PWM包絡(luò)的頻率和占空比呈線(xiàn)性關(guān)系。因此采用步進(jìn)脈沖PWM包絡(luò)控制步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)PWM包絡(luò)的占空比就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語(yǔ)

步進(jìn)脈沖PWM包絡(luò)方式的低速轉(zhuǎn)動(dòng)控制方法，實(shí)際上就是在滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)輸出力矩的前提下，讓步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。微觀(guān)上等效于減小單個(gè)步進(jìn)脈沖電流的持續(xù)時(shí)間，從而使步進(jìn)電機(jī)單個(gè)步進(jìn)的保持力矩電流的持續(xù)時(shí)間減小，進(jìn)而減少轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)熱損耗的電流做功。在步進(jìn)脈沖PWM包絡(luò)的開(kāi)通過(guò)程中，采用脈沖頻率拋物線(xiàn)變化方法，有效地解決了開(kāi)關(guān)方式引起的速度連續(xù)性和運(yùn)行穩(wěn)定性的下降問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)改變步進(jìn)脈沖PWM包絡(luò)占空比，能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)的速度調(diào)節(jié)。在電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的云臺(tái)控制中，采用這種方法有效解決了步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行帶來(lái)的器件發(fā)熱問(wèn)題。

[1] 董亮輝,劉景林,李昱.步進(jìn)電機(jī)寬調(diào)速多細(xì)分控制系統(tǒng)研究[J].測(cè)控技術(shù),2012,31(1):66-69.

[2] 陳宏泉,張大鵬.淺析步進(jìn)電機(jī)的發(fā)熱與安全[J].林業(yè)勞動(dòng)安全,2004,17(1):22-23.

[3] 劉希璐,李世良.步進(jìn)電機(jī)常見(jiàn)故障的分析和排查[J].黑龍江科技信息,2012(21):38-39.

[4] 王玉琳,王強(qiáng).步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)方法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2006,33(1):53-56.

[5] 嚴(yán)平鋒,凌志浩,蔣煒.步進(jìn)電機(jī)的控制與檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(4):38-42.

[6] 陳建進(jìn),管興勇.兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器研制[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(4):71-73.

[7] 方力,劉漢忠,張建華.步進(jìn)電機(jī)自適應(yīng)細(xì)分多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2011,44(1):96-99.

[8] 龍艷,李同賓.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制技術(shù)研究[J].微電機(jī),2013,46(11):79-80.

[9] 曾康玲,楊向宇,趙世偉,等.步進(jìn)電機(jī)指數(shù)型加速曲線(xiàn)優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)[J].微電機(jī),2014,47(6):36-40.

[10]儀慧玲,張仁杰.基于STM32的步進(jìn)電機(jī)S曲線(xiàn)加減速算法的優(yōu)化[J].信息技術(shù),2015(3):178-181.

A Solution to Burning Stepper Motor at Low Speed

Aiming at the serious heat loss phenomenon of stepper motor that happens when the stepper motor is driven by the driver THB6064AH with current subdivision mode for low speed rotation,the control method which is making envelop of stepper pulse sequence change as the PWM pattern is proposed. The heat loss is reduced by macroscopically shortening the duration of the stepper current; during PWM process is working, the frequency of stepper pulse is varying according to the parabolic curve, thus the overshoot and stall caused by switching can be reduced. The experiments find that this method effectively decreases the heat generation of the stepper motor and the driver, and ensures the continuity and stability of the rotating speed of stepper motor. The method is simple, ease to implement, and possesses excellent applicable value.

Stepper motor Stepper motor heat loss PWM Parabolic Current subdivision

特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：13zxtk04)；

陳起傳(1990-)，男，現(xiàn)為成都理工大學(xué)電子與通信工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生；主要從事嵌入式方法與技術(shù)的研究。

TP211+.4

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510023

成都理工大學(xué)高等教育質(zhì)量工程項(xiàng)目(編號(hào)：XJP1124)。

修改稿收到日期：2015-06-06。