基于步进电动机SPWM驱动的发电机调速控制

沈 锐，卢 刚，李声晋，孟凡军

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引 言

某型号柴油发电机的油门采用两相混合式步进电动机控制，步进电动机从油门最大转到最小位置转过约30°，而柴油发电机的调速范围需700～3 800 r/min，从而对步进电动机的调整精度提出了较高要求。本文提出了以SPWM方式驱动步进电动机，实现了该柴油发电机的平滑调速。

1 系统总体结构

混合式步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁元件，具有成本低廉、无累积误差等突出优点［1］，较适合用于柴油发电机的油门控制。本柴油发电机调速控制的主体结构框图如图1所示。

图1 柴油发电机结构框图

考虑到主控板所需的A/D接口数量、PWM发生器个数、通讯接口以及成本等因素，CPU采用Microchip公司的16位DSC芯片dsPIC30f4012。

如图1所示，柴油发电机发出的三相交流电经逆变器逆变输出至负载，同时串联在回路中的电流互感器和并联在负载两端的电压互感器分别检测母线电压、母线电流，然后送至dsPIC30f4012的模拟输入口。当母线电压或母线电流过大时，CPU发出指令推动继电器断开负载，从而起到保护作用。柴油发电机发出的低压交流信号经过测速电路后，CPU计算出发动机转速，与指令转速比较，CPU根据当前误差发出新的SPWM脉冲推动步进电动机，形成转速闭环控制［2－3］。数码管用于显示频率、母线电压、母线电流及转速等参数。

数码管显示电路与CPU间通过三个GPIO端口相连，用这三个端口模拟SPI向数码管驱动芯片max7219发送数据。

本文主要解决的问题是两相混合式步进电动机的SPWM驱动和柴油发电机的转速闭环控制。

2 两相步进电动机SPWM驱动方法

经过实际测量，柴油机油门旋钮行程为机械角度30°，柴油发电机转速范围7 00～3 800 r/min，步进电动机每一步走过的机械角度应足够小，以保证柴油机转速变化平滑。因此步进电动机的控制至关重要。

对两相步进电动机而言，采用两相四拍方式运行时，每走一步转过的机械角度θ为:

式中:p为步进电动机的磁极数，本文中p=200。由此可知θ=0.9°，也就是说在油门调节范围内步进电动机行程只有30°/0.9°=33步，这样的调速精度显然不能满足需求。

分析步进电动机的工作原理可知，电机转子是跟随电机定子磁场所产生的扭矩转动，而电机定子磁场的强度和方向是由定子合成电流决定且成正比。即只要控制电机的定子电流，则可以达到驱动电机的目的。本文采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即分别给两相绕组同时通以正、余弦变化的电流，使合成的电流矢量恒幅均匀旋转，从而实现步进电动机步距的均匀细分。如图2是两相混合式步进电动机按四细分通电时的转矩合成矢量图。TA+、TA－由A相绕组产生，TB+、TB－由B相绕组产生［4］。

图2 两相混合式步进电动机按四细分通电时的转矩合成矢量图

细分时，电角度等分成N(N为细分数)等分，对应的细分之后的步距角按比例减小。两相电流按下式通电变化时，即可实现电流矢量恒幅均匀旋转。

式中:PA、PB分别为A、B两相上施加脉冲的占空比;Pmax为绕组上施加脉冲的最大占空比;α为细分时电角度的间隔;k为正弦表指针;N为细分数。例如本文采取64细分时，α=5.625。即k从0依次取到63时，电机转过一个电周期。当施加在某相绕组上的方波占空比为50%时，该相绕组上流过的电流为零。

另外，考虑到主控芯片dsPIC30f4012进行浮点运算的速率问题，软件中不宜直接计算正余弦值，因此应该先编制正弦表table［64］，至于余弦表可根据正弦余弦曲线相位差为1/4周期的特点得到。

于是A、B两相上施加的PWM占空比计算方法可改写:

式中:cp为正弦表指针，软件中应控制其限幅。

由式(3)可知，CPU应控制两个PWM发生器以互补形式输出按正余弦规律变化的脉冲信号，经过功率放大后加到A、B两相绕组上。这样绕组电流就是阶梯正弦波，如图3所示［5］。

图3 两相电流变化规律

3 发动机调速控制方法

步进电动机的安装要与柴油发电机油门旋钮严格同轴，以保证步进电动机能够准确地将油门调整到所需位置。步进电动机在不转时需提供一定的扭矩，避免因柴油发电机的振动而使油门产生偏移。

调速函数通过Timer1模块定时1 ms调用。柴油发电机系统上电后，首先调用初始化函数InitializeSys()，初始化 dsPIC30f4012 的 GPIO、A/D、PWM以及定时器等相关模块，进入Timer1中断后，首先判断步进电动机是否在转动，如果是，则表明上一次发出的指令还没有执行完成，即油门正在调整中。否则就需计算柴油机当前的转速，并与目标值相比较，然后判断是增大油门、减小油门还是保持步进电动机当前的位置不变。软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图

步进电动机的一个优点是不会累积误差，进行PID调节时不用考虑积分环节Ki，在本系统中则表现为步进电动机上一步对油门作出的调整，即使有偏差也不会将偏差带到本步，产生叠加效果。而由于用于油门控制的步进电动机采用了本文所设计的电流矢量恒幅均匀旋转的细分控制方法，步进电动机每走一步油门旋钮转过的机械角度只有0.056 25°，完全可以实现柴油发电机在700～3 800 r/min范围内平滑调速。

4 实验结果及分析

4.1 步进电动机SPWM驱动实验

实验测试平台中，用NI软件LabWindows/CVI编写上位机，实时显示控制器发送来的电流、转速等参数。本实验主要测试电机运行时的两相电流，观察电机转动是否平滑。步进电动机转速为600 r/min，测得A、B相电流波形如图5所示。可以看出两相电流分别按照正弦和余弦规律变化。电机运行时噪声极小，无明显振动。软件中设定步进电动机走过6 400步，测得电机刚好转过一周，证明所设计的控制方法精确可靠。

图5 步进电动机A、B相电流波形

4.2 柴油发电机调速实验

实验测试系统调速性能，如图6所示。柴油发电机起动后，转速上升至3 000 r/min，超调量仅为120 r/min，转速波动率不超过1%。柴油发电机转速由3 000 r/min减速至700 r/min时超调量仅为60 r/min，转速波动率为0.6%。

图6 柴油发电机转速曲线

实验证明，本文所设计的调速方案改善了柴油发电机的动态响应，提高了系统的综合性能。

5 结 语

步进电动机的SPWM驱动技术最初主要是为了改善电机的运行性能，如平稳度和噪声等，提高步进精度只是其附加的功能。本文利用该技术提高了柴油发电机油门调整的精度，步进电动机在油门可调范围内行程达到了530步，可以使柴油发电机从700 r/min平滑调速至3 800 r/min。从实验结果看电机运转精确可靠，柴油发电机调速性能得到了改善。

［1］ 刘宝廷，程树康.步进电机及其驱动控制系统［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1997:2，99－112.

［2］ 王宗培.步进电机PWM微步驱动方式的实现［J］.微特电机，1991(1):17－20.

［3］ Guzzella L，Amstutz A.Control of Diesel Engines［J］.IEEE Control Magazine，1998，18(5):53 －71.

［4］ Barker D.2 phase hybrid stepping motors.Sepping Motors and Their Control［J］.IEE Colloquium，1994，25(1):21 － 23.

［5］ Paresh C Sen.Electric motor drives and control past，present，and future［J］.IEEE trans.on IE，1990，37(6):562－575.