反向EMF法实现步进电机的精确控制

在对电机信号进行数字处理过程中,可以通过多种方法实现位置控制。本文首先从最常用的步进电机方案入手,然后再介绍如何用更常用、性能更优的反向EMF法实现步进电机的精确控制,该方法利用了电机本身换向周期的相关信息。

Don Morgan

高级工程师

Ultra stereo实验室

Email: dgm@

实现无传感器控制的最简单易行的方法可能就是使用步进电机。该方法占用的系统资源很少,可以作为DSP系统的一个附属驱动器。步进电机是多相电机,只需对其运动做少量记录,并结合系统机械和电的限制条件就可得到转子位置。

简单来说,步进电机的转子由两个带齿的磁极组成。在磁极之间,有磁场方向沿转子轴向的永久磁体。这样,转子的一端是北极,而另一端是南极。齿分布在南极端和北极端,尽管彼此相邻但不在同一条线上。电机的定子是一个带四个齿的轴套,其长度与转子相同。线圈绕在定子的齿上,并成对地连接在一起(图1)。

由于绕组中电流的方向决定了定子受力的方向,通过控制绕组中电流的方向,可以预先定位转子和定子的相对位置。每一步转子产生的位移是由电机的机械设计确定的。设定了起点后,计算电机向前或向后移动的步数,在电机的公差范围内可以确定相对于起点的位置变化。旋转很多圈后,通过计算转数,在电机的公差范围内仍然可以确定电机转子的位置,因此,用步进电机就能实现无传感器的电机控制系统。

这一方法同样适用于三相电机。在以下的无传感器的应用中,将用这种方法起动电机。尽管这一控制方法既简单又实用,但在选用这种方法之前,要仔细考虑其局限性。它的问题主要表现在:力矩固定、大小有限、系统采用开环控制。

开环控制还是闭环控制？

通常,控制可分为开环和闭环两种。在开环控制中,轨迹发生器对驱动器发出控制指令来产生预期的结果,但并不对系统误差进行检查或作任何纠正。

在闭环控制中,将误差加入到原始控制指令中,更准确地驱动负载。如果所得到的轴速度不准确,可以根据误差的大小修正控制指令,这种由误差驱动的控制方式称为伺服控制。这种闭环控制可以针对系统的位置、速度和力矩特性来实现。

同步/异步电机的基本概念

如图2所示,无刷直流电机由两个同轴组件构成,它们由空气隔开。外轴套为定子,三相绕组安装在定子的齿上。中间的组件是转子,它由永磁或电磁材料制成。

转动电机的轴,因为磁性转子产生一个磁通量,电机绕组线圈切割磁力线产生电磁力(EMF),从而在电机相线上将产生一个电压。当作为驱动电机时,该电压依然存在,其极性与驱动电压相反,因而称之为反向电磁力。它与作用于电机的电能大小没有关系,而与电机的转动速度、转子磁通量以及相关绕组的匝数成正比例。反向EMF也是影响电机性能的原因之一。随着电机转速的增加,反向EMF(由于转子磁通所产生的电压)也增加,它与加在线圈上的电压极性相反,使转子中的电流降低,因此转子的力矩和最高速度受到限制。

当定子磁通量和转子机械转速相同时,就称为同步电机,三相无刷直流永磁电机就是一种同步电机。如果磁通量和机械转速不等,就称为异步电机。

一匝绕组线圈的反向EMF为:E=NF

整幅绕组(多圈)的反向EMF为:E=nNF

其中,E表示电压,单位为伏特,N表示转速,F表示磁通量,单位为韦伯。

对于给定的转子磁通量,E和N的符号相同,所以转子的转动方向决定了反向EMF的符号。当磁通量最大时,E也最大,这个最大值对应着转子由北极转向南极的时刻。这意味着当转子磁通量与相位垂直时,反向EMF最大。

有用电功率(机械功率)为:P_e=EI

其中E表示反向EMF,I表示电机电流。

力矩为:C=kFI

其中I表示电机电流,F表示磁通量,k是比例常数。

电机功率为:P_m=CW

上式中W表示转子角速度。

根据以上公式可以选择最适合的电机。

利用反向EMF进行无传感器的控制

当电机达到足够的转速时,可以使用反向EMF对电机进行监测控制。用六步法就可使电机达到足够的速度,但是六步法效率较低,所以一般不单独用该方法实现电机控制。

在图3中可以看到用于控制三相电机绕组电流的几对开关。由于不能同时开启同组的顶部和底部的开关,所以电流在电机中的实际流动方向只有六种组合,其中任一电流组合都可以使转子的磁场转到与电极方向一致。转子可以在六步内实现一个完整的控制周期。

在反向EMF法应用中,电机启动时反向EMF值小到难以测量。使反向EMF足够大的时间与电机和检测电路有关。

在无激励相的每一步进中,反向EMF检测读取反向EMF过零时刻的状态,如图3所示。为了使电机效率最大,当绕组中电流与该绕组中的反向EMF同相时,要进行换向。当反向EMF过零点时,要经过一段时延才换向。当绕组退磁后,控制周期重新开始。

下列三个事件要依次发生:1. 首先探测到反向EMF过零点。在这一点,处理器计算出延时,延时时间长度随转速的变化而改变。随着电机速度的增加,过零发生的时间越来越短,必须缩短过零和换向之间的延时。这一延时根据步进速度和电机的延时系数计算。2. 延时后,电机进行下一轮换向。3. 等待绕组退磁,绕组退磁后,立即重新起动新的控制循环。

整个过程如下:1. 以六步模式起动电机。2. 提升至可以探测到过零点的速度。3. 等待反向EMF过零时刻。4. 根据步进时间产生时延。5. 执行下一换向循环。6. 等待电机退磁。

这时再重复循环,由于电机的运行速度已经足够探测到反向EMF,很显然不再需要进行前两个步骤。

本文总结

下期将探讨对同步和异步电机同样适用的方法,即用卡尔曼滤波器进行现场控制。这一方法只需要对电流传感器的反馈进行现场控制,而且在静止状态可以达到与运动中的一样好的效果。