自走風力滅火機離合電機控制精度的研究

楊春梅，吳 楠

(東北林業大學機電工程學院，哈爾濱150040)

在對風力滅火機行走的控制中，步進電機通過連接軸和離合器以及其中的無級變速裝置相關聯，步進電機的轉向、轉速以及精密度控制直接影響到對風力滅火機的控制。在實際研究中，步進電機是用遙控控制來實現的，是一個開環控制，后續的研究也許要設計閉環控制，但是，步進電機屬于一個離散化原件，脈沖控制不當時，會產生失步或者過沖現象。而且控制粗糙，體現為步距比較大，不平滑等。引發的問題是，滅火機的行走不平穩，控制不精密。本文將步進電機的細分驅動理論應用于對步進電機的控制中，很好地解決了這些問題。

1 細分驅動理論

1.1 恒轉矩驅動原理

步進電機的細分控制從本質上講是通過對步進電機的定子繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場按某種要求變化，從而實現步進電機步距角的細分。最佳的細分方式是恒轉矩等步距角的細分［1］。合成磁場的矢量幅值與電機轉矩成正比，相鄰矢量夾角與步距角成正比，轉子的平衡位置是合成矢量的方向［2］。

實現恒轉矩驅動的關鍵是要給予電機各相繞組階梯式的交流電。

1.2 細分驅動原理

在保證電機以恒轉矩輸出的技術基礎之上，要將各相電流進行細分處理，細分的理論思路，電機轉子轉過90°，就意味著電機轉過了一個步距角［3］，將步距角n細分，則電機的細分數學模型可表示為:

式中:n為細分數，s為步數。

步進電機默認是走一步轉1.8°的角度，360/1.8=200脈沖，所以步進電機默認是200個脈沖一轉，但是在本設計中精度要求高，而且要轉動平穩，1.8°不適合，所以就有了驅動器上面的細分設置，例如，設置為10細分，即角度縮小了10倍(1.8/10=0.18)，就是指電機每走一步轉動的角度為0.18°。這樣精度就擴大10倍。在電流設置方面，步進電機有額定電流，比如某個電機的額定電流為4A，如果在驅動器上面選的是2.25A，那么電機的力矩不能達到固有力矩，但如果設成5A，雖然增大了力矩，但相對的電機發熱也變大了，因此電流需要根據實際情況來設置。一般小負載低轉速設小電流，而本設計用的步進電機為57HS22型電機，電流設置為額定電流足夠。

2 電機細分試驗與分析

從理論分析可知，電流的細分確實可以使電機的控制精度提高。為了確定具體的細分數，以期能使平穩性和定位精度達到最理想的效果，特設計了細分數試驗。

第一個試驗是研究確定細分數為多少時電機運行最平穩。采用示波器觀察波形，分析得出結果。試驗的預期結果從理論上來看，細分數與平穩性是成正比的，即細分數越大，平穩性越高。

第二個試驗是研究確定細分數為多少時電機的定位精度最好。采用電機帶動平臺單步運行，利用光柵尺和計數卡采集位置信號。通過統計分析得出最佳細分數。從理論上來看，最佳定位精度不是與細分數成正比的，隨著細分數的增加，定位精度是逐漸變好然后逐漸變差的過程，因此具體細分數為多少時電機定位精度最好，還需要試驗后分析數據確定。

2.1 步進電機細分數與電機運動平穩性測試

為了測試細分數與電機運動平穩性的關系，特設計如下試驗。試驗電機固有步距角為1.8°，固有步數為一轉200步。試驗中，分別測試2、8和64細分時的相電流波形，實測波形如圖1所示，由左至右分別表征2、8和64細分實測波形。

圖1 不同細分時相電流波形圖Fig.1 Current waveform at different time phases

由圖1可以看出，當細分數n越大，實際的電流曲線就越光滑，越逼近正弦，那么電機的運行就越平穩。

作為離合電機，它的轉速并不要求很高，這就引發了一個在低速運行時容易引起的低頻共振問題和噪聲問題。而在測試中發現，當增加細分數n時，低速運行時的共振和噪聲問題也隨之改善了，甚至沒有了共振，噪聲也很小，原因是細分數大，電機電流脈動就小，其輸出轉矩造成的震動就小，產生的噪音就小，就避免了噪音乃至影響到其他部件的諧振噪音的產生。

此試驗的結論是:細分數越高，電機運行越平穩。

2.2 步進電機細分數與電機定位精度關系測試

試驗得知，細分數越高電機的平穩性能越好。為定量分析細分數與控制精度的關系，設計一個由步進電機驅動的運動平臺，由同步帶傳動。同步帶參數大致如下:主動輪周長100 mm;光柵尺分辨率0.001mm，由計數卡ENC7480采集位置信號。如圖2、圖3、圖4和圖5所示分別體現驅動器2、4、8和16細分時步進電機單步位移量的數據。

圖2 步進電機2細分、平臺單步運動時每步的位移量Fig.2 The displacement of single-step movement on platform for 2 subdivisions of stepper motor

圖3 步進電機4細分、平臺單步運動時每步的位移量Fig.3 The displacement of single-step movement on platform for 4 subdivisions of stepper motor

圖4 步進電機8細分、平臺單步運動時每步的位移量Fig.4 The displacement of single-step movement on platform for 8 subdivisions of stepper motor

圖5 步進電機16細分、平臺單步運動時每步的位移量Fig.5 The displacement of single-step movement on platform for 16 subdivisions of stepper motor

對實驗數據進行整理分析見表1。表1顯示，當細分數為2或4時，單步位移的誤差較小，而隨著細分數的增加，可以發現誤差越來越大。結合圖2～圖5，也可以看出當細分數為8和16時，離散度明顯增加，定位顯然是不準確的。

表1 實驗數據表Tab.1 Experimental data

當然，在試驗中，誤差包含了機械上的誤差，例如導軌直線度誤差、傳送帶誤差和光柵尺測量誤差等，但是可以清楚地發現，在細分數為16時，誤差增幅明顯加大，也就是說當細分數大于8時，步進電機的定位精度顯著下降，圖像顯示，其不均勻性顯著提高。

因此，細分數不是越大越好，綜合考慮，細分數為4時，定位精度是最理想的。

3 結論

步進電機細分驅動方法，可減小步距角，提高運行平穩度和控制精度。經試驗驗證確定當細分數為4時，電機的控制從穩定性和定位精度的角度來看，都達到了最理想的效果。將試驗得到的結果與理論結合，所研發的自走風力滅火機的控制系統切實可行，試驗證明，滅火機的運行更為平穩，控制精度有顯著提高。

［1］孔祥東.多細分三相混合式步進電機驅動器研究及實現［D］.大連:大連理工大學，2005.

［2］李愛芹.基于DSP的三相混合式步進電機細分驅動系統研究［D］.杭州:浙江工業大學，2006.

［3］蔣 淳.步進電機驅動與電流細分控制［J］.上海汽車，2010(10):15－20.