自走风力灭火机离合电机控制精度的研究

2013-03-30杨春梅

森林工程 2013年6期

杨春梅，吴楠

(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040)

在对风力灭火机行走的控制中，步进电机通过连接轴和离合器以及其中的无级变速装置相关联，步进电机的转向、转速以及精密度控制直接影响到对风力灭火机的控制。在实际研究中，步进电机是用遥控控制来实现的，是一个开环控制，后续的研究也许要设计闭环控制，但是，步进电机属于一个离散化原件，脉冲控制不当时，会产生失步或者过冲现象。而且控制粗糙，体现为步距比较大，不平滑等。引发的问题是，灭火机的行走不平稳，控制不精密。本文将步进电机的细分驱动理论应用于对步进电机的控制中，很好地解决了这些问题。

1 细分驱动理论

1.1 恒转矩驱动原理

步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。最佳的细分方式是恒转矩等步距角的细分［1］。合成磁场的矢量幅值与电机转矩成正比，相邻矢量夹角与步距角成正比，转子的平衡位置是合成矢量的方向［2］。

实现恒转矩驱动的关键是要给予电机各相绕组阶梯式的交流电。

1.2 细分驱动原理

在保证电机以恒转矩输出的技术基础之上，要将各相电流进行细分处理，细分的理论思路，电机转子转过90°，就意味着电机转过了一个步距角［3］，将步距角n细分，则电机的细分数学模型可表示为:

式中:n为细分数，s为步数。

步进电机默认是走一步转1.8°的角度，360/1.8=200脉冲，所以步进电机默认是200个脉冲一转，但是在本设计中精度要求高，而且要转动平稳，1.8°不适合，所以就有了驱动器上面的细分设置，例如，设置为10细分，即角度缩小了10倍(1.8/10=0.18)，就是指电机每走一步转动的角度为0.18°。这样精度就扩大10倍。在电流设置方面，步进电机有额定电流，比如某个电机的额定电流为4A，如果在驱动器上面选的是2.25A，那么电机的力矩不能达到固有力矩，但如果设成5A，虽然增大了力矩，但相对的电机发热也变大了，因此电流需要根据实际情况来设置。一般小负载低转速设小电流，而本设计用的步进电机为57HS22型电机，电流设置为额定电流足够。

2 电机细分试验与分析

从理论分析可知，电流的细分确实可以使电机的控制精度提高。为了确定具体的细分数，以期能使平稳性和定位精度达到最理想的效果，特设计了细分数试验。

第一个试验是研究确定细分数为多少时电机运行最平稳。采用示波器观察波形，分析得出结果。试验的预期结果从理论上来看，细分数与平稳性是成正比的，即细分数越大，平稳性越高。

第二个试验是研究确定细分数为多少时电机的定位精度最好。采用电机带动平台单步运行，利用光栅尺和计数卡采集位置信号。通过统计分析得出最佳细分数。从理论上来看，最佳定位精度不是与细分数成正比的，随着细分数的增加，定位精度是逐渐变好然后逐渐变差的过程，因此具体细分数为多少时电机定位精度最好，还需要试验后分析数据确定。

2.1 步进电机细分数与电机运动平稳性测试

为了测试细分数与电机运动平稳性的关系，特设计如下试验。试验电机固有步距角为1.8°，固有步数为一转200步。试验中，分别测试2、8和64细分时的相电流波形，实测波形如图1所示，由左至右分别表征2、8和64细分实测波形。

图1 不同细分时相电流波形图Fig.1 Current waveform at different time phases

由图1可以看出，当细分数n越大，实际的电流曲线就越光滑，越逼近正弦，那么电机的运行就越平稳。

作为离合电机，它的转速并不要求很高，这就引发了一个在低速运行时容易引起的低频共振问题和噪声问题。而在测试中发现，当增加细分数n时，低速运行时的共振和噪声问题也随之改善了，甚至没有了共振，噪声也很小，原因是细分数大，电机电流脉动就小，其输出转矩造成的震动就小，产生的噪音就小，就避免了噪音乃至影响到其他部件的谐振噪音的产生。

此试验的结论是:细分数越高，电机运行越平稳。

2.2 步进电机细分数与电机定位精度关系测试

试验得知，细分数越高电机的平稳性能越好。为定量分析细分数与控制精度的关系，设计一个由步进电机驱动的运动平台，由同步带传动。同步带参数大致如下:主动轮周长100 mm;光栅尺分辨率0.001mm，由计数卡ENC7480采集位置信号。如图2、图3、图4和图5所示分别体现驱动器2、4、8和16细分时步进电机单步位移量的数据。