微燃機電站燃氣計量閥用步進電機控制系統

吳曉玲 蔣茜 王軍

(航天科工海鷹集團有限公司,北京 100074)

微燃機電站燃氣計量閥用步進電機控制系統

吳曉玲 蔣茜 王軍

(航天科工海鷹集團有限公司,北京 100074)

燃氣計量閥是微燃機電站的關鍵部件,其作用是根據來至上位機的閥開度指令,由數字驅動控制器驅動兩相混合式步進電機完成對燃氣計量閥節流口開度的控制,進而實現對微燃機電站燃氣流量的控制。本文對微燃機電站用燃氣計量閥控制器的結構、工作原理、數字驅動控制器設計進行了介紹,重點對步進電機的選型方法、細分驅動原理和系統定位誤差進行了分析,可為后續研制和實際調試提供指導。

微燃機電站 燃氣計量閥 兩相混合式步進電機 細分驅動

1 引言

起發電機是微燃機電站系統的重要組成部分，在發動機地面試驗時用于帶轉發動機，在發動機正常工作時用于發電輸出電能。因此，在研制階段對起發電機進行精確電磁計算，是十分必要的。然而，傳統的電機電磁計算方法都是基于經典磁路法，其計算精度有限[1-3]。特別是該起發電機為永磁電機，其磁路結構復雜，給磁路計算帶來了較大困難，難以得到精確的磁路計算結果。為了提高計算的準確程度，需要進行電磁場數值計算和分析。目前，電機電磁場數值分析方法主要有：有限元法、邊界元法和有限差分法。其中，最有效、應用最廣泛的是有限元法[4-6]。本文對某起發電機進行了二維電磁場有限元分析，并對電機定子采用直槽和斜槽結構分別進行對比分析。

2 燃氣計量閥系統結構和工作原理

燃氣計量閥系統由燃氣計量閥本體、兩相混合式步進電機、數字驅動控制器組成，系統結構如圖1所示。微燃機電站用燃氣計量閥系統的作用是根據來至上位機的閥開度指令，由數字驅動控制器驅動兩相混合式步進電機完成對燃氣計量閥節流口開度的控制，進而實現對微燃機電站燃氣流量的控制。

2.1 燃氣計量閥本體

燃氣計量閥本體采用美國Woodward公司Swift-12型單路燃氣計量閥。燃氣計量閥的全行程對應步進電機旋轉1.25圈，即對應機械角度450°，要求全行程精度為±0.25%。閥芯裝有回中彈簧，可保證掉電后閥芯處于關閉位置，且當燃氣壓力超過安全范圍時具有自動關閉功能。

圖1 燃氣計量閥系統結構框圖

圖2 數字驅動控制器系統結構框圖

2.2 兩相混合式步進電機

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，具有較高的定位精確度，且無位置積累誤差[4-6]。步進電機的原理是基于最基本的電磁鐵原理，可用于具有一定精度的開環位置控制系統。步進電機按結構劃分包括永磁式、磁阻式以及混合式;按相數劃分包括兩相、三相、四相、五相。兩相混合式步進電機具有結構簡單、步距角分辨率高、轉矩大等優點，是目前常用的步進電機結構形式。步進電機的主要技術指標是步距角和最大靜轉矩。步進電機步距角：

其中，θb為步距角，P為定子相數，Nr為轉子齒數。對于燃氣計量閥用兩相混合式步進電機，P=2，Nr=50，則步距角θb=1.8°。

最大靜轉矩也叫保持轉矩，是在額定靜態電流下施加在已通電的步進電機轉軸上而不產生連續旋轉的最大轉矩。一般選擇負載轉矩應小于0.5～0.77倍的最大靜轉矩。

此外，選用步進電機時，實際還要考慮位置控制精度、使用速度范圍、負載傳動方式，工作溫度及使用環境等因素。

2.3 數字驅動控制器(如圖2)

圖3 整步工作時繞組電流

圖4 細分驅動工作時繞組電流

圖5 整步驅動時繞組電流實驗波形

圖6 4細分驅動時繞組電流實驗波形

數字驅動控制器以TI公司32位DSP TMS320LF2812為核心，配合H橋集成功率驅動器LMD18201，通訊接口電路、A /D轉換器、以及相應的繞組電流采樣電路。

3 系統控制原理

3.1 兩相混合式步進電機細分驅動原理

兩相混合式步進電機定子繞組由A、B兩相繞組組成，其順時針旋轉時通電規律為A+、B+、A-、B-，即兩相單四拍整步工作模式，如圖3所示。每拍通電對應步進電機轉動的機械角度為步進角，燃氣計量閥中采用的兩相混合式步進電機的步進角為1.8°。步進電機采用整步工作時易出現失步和共振現象，為此應采用細分驅動。

步進電機的細分驅動是通過對電機繞組中電流的控制，使步進電機定子合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現步進電機步距角的細分。步進電機細分驅動的實質是對兩相繞組電流的細分控制，即將整步工作時的方波電流細分為正弦電流，此時兩相繞組電流為相位互差90°的正弦電流，如圖4所示。

為了實現細分驅動，需要對電機繞組電流進行閉環控制，因此功率驅動電路應采用恒流斬波驅動。增加細分數可以降低振動，但實際到8細分時效果就變化不大，細分數過大時會出現步距不均勻現象，且細分數過大也限制了步進電機的最高轉速。因此，本系統中細分數取4。

采用細分驅動時的A、B兩相電流為

其中，n為電流細分后的運行拍數，I為電機相電流幅值，k為脈沖序列，k=0，…，n-1。

采用細分驅動的主要優點[7，8]：(1)使步距角減少，步距誤差減少，提高了分辨率和步進精度;(2)減少了低頻振蕩，經過細分后，驅動電流的變化幅度大大減少，使轉子到達平衡位置時的過剩能量大大減少;另一方面可以遠離轉子諧振頻率。因此，細分驅動不僅能使步進電機運行平穩，而且還能減弱或者消除振蕩;(3)增加了電機運行的拍數，可獲得較大的啟動轉距。

3.2 兩相混合式步進電機電磁轉矩計算

采用細分驅動時A、B兩相繞組為正弦電流，且相位互差90°，則有

A、B兩相繞組產生的磁通為

其中： φA、 φB為A、B兩相繞組產生的磁通。

A、B兩相繞組產生的電磁轉矩分別為

A、B兩相繞組合成的電磁轉矩為

其中：δ 為負載角， δ=ωt-θ，即定子磁場與轉子磁場的夾角，=90°時對應步進電機的最大靜轉矩。

3.3 系統定位誤差分析

系統要求燃氣計量閥全行程精度為±0.25%，即對應角度定位誤差±1.125°。采用的兩相混合式步進電機步進角為1.8°，步進角精度±3%，對應步進角誤差±0.054°。本系統中取細分數為4，則細分后步進角為0.45°。

系統定位誤差為

其中：步距角誤差Δθb=1.8°*±3%=±0.054°，傳動誤差Δθn=±0.057°，ΔθD=±0.057°。

經以上分析，系統定位誤差Δθt＜±1.125°，以滿足系統要求。

4 數字驅動控制器硬件設計及試驗

4.1 主控芯片選擇

主控芯片采用TI公司32位定點DSP TMS320LF2812，并外擴了12位串行A/D轉換器，來完成對步進電機A、B兩相繞組電流、燃氣計量閥入口壓力信號的采樣。

4.2 功率主電路設計

功率主電路采用兩片H橋集成功率驅動模塊LMD18201，來完成對兩相混合式步進電機的A、B兩相繞組的驅動。LMD18201內部集成了H橋型Power MOSFET功率橋、柵極驅動電路、及保護電路。PWM開關頻率決定了電機繞組電流的連續性，從而也決定了電機運行的平穩性。由于步進電機的繞組電感較小，如果頻率不夠高，電機的低速性能有可能不理想，很容易燒毀功率管，而且由于電流不連續，電機可能產生劇烈振蕩。開關頻率越高，繞組電流的脈動量越小，電流容易連續，電機附加損耗減小，系統低速平穩性好。從動態性能看，提高開關頻率可擴大系統頻帶寬度，提高系統的快速性，但開關頻率的提高會使得功率管的動態損耗也隨之增大，從而降低功率電路的效率。本系統中采用雙極性PWM控制方式，電流最大脈動量為：

其中，Δimax為電流最大脈動量，La為電機繞組電感，fPWM為PWM開關頻率。

對于本系統，Ud=24V，La=2.2mH，Δimax＜Imax×10%=0.3A，則fPWM＞Ud/2La=18.1kHz。本系統取PWM開關頻率為20kHz。

4.3 繞組電流信號采樣電路設計

為了實現細分控制，需要對繞組電流采樣并進行閉環控制。本系統中通過外擴A/D轉換器，完成對繞組電流反饋信號的采樣。A/D轉換器的分辨率為12位，采樣輸入電壓范圍為0～5V。通過采用0.1Ω精密采樣電阻和儀器放大器AD629，并經過一階低通濾波，來完成繞組電流的采樣，選取低通濾波器截止頻率為10kHz(PWM開關頻率的一半)。

4.4 系統試驗

利用所設計的驅動控制器進行了燃氣計量閥系統實驗。采用整步驅動和4細分驅動分別進行了系統實驗。整步驅動和4細分驅動時繞組電流實驗波形分別如圖5和6所示。采用整步驅動時兩相混合式步進電機的運行不平穩，電機振動大，易發生失步現象。采用4細分驅動時兩相混合式步進電機的運行平穩，電機振動小，且定位精度高，此時A、B兩相電流接近正弦波，且相位互差90°。

5 結語

本文對微燃機電站用燃氣計量閥控制器的結構、工作原理、數字控制器設計進行了介紹，重點對步進電機的選型方法、細分驅動原理和系統定位誤差進行了分析，可得如下結論：(1)采用兩相混合

式步進電機對燃氣計量閥進行控制，具有結構簡單、控制精度高等優點，且便于實現數字控制;(2)采用細分驅動技術，不僅可以提高步進電機的步進角分辨率和定位精度，而且提高了電機啟動轉距和運行平穩性。

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北京市科委項目(D131100003313003)。

吳曉玲,女,碩士,主要從事電機控制相關工作。蔣茜,女,碩士,主要從事電機控制相關工作。王軍,男,碩士,主要從事電機控制相關工作。