关键词:
混合型步进电机
数学模型
矢量控制
力矩波动抑制
摘要:
混合型步进电机因其驱动系统简单,便于实现位置的控制,在伺服驱动系统中有着广泛的应用,但是由于电机本体输出力矩波动大,使之在高性能的精密伺服驱动系统中的应用受到了极大的限制。要改变这种现状,混合步进电机的精确数学模型的构建是一项亟待解决的重要基础工作,现有的传统混合型步进电机数学模型中的电机参数做了一定的简化,无法精确描述实际电机性能,影响以此设计的控制算法有效性。为了解决上述问题,本文对混合型步进电机参数进行详细研究,根据电机参数特性构建精确的混合型步进电机数学模型,并分析电机参数中的非线性项对电机输出力矩的影响。基于提出的电机数学模型,针对电机参数中的非线性项设计力矩波动抑制算法,使用数值计算的方法从原理上验证了抑制算法的有效性。将抑制算法应用于矢量控制系统中,取得了良好抑制效果,大幅降低了电机的力矩波动,为混合型步进电机进入精度要求更高的场合提供了理论依据和实现方法。主要研究内容如下:
(1)非线性磁网络建模:通过考虑齿层磁导高次谐波效应,建立了混合型步进电机非线性磁网络模型。研究发现,永磁磁链的3次谐波会在电磁转矩中产生幅值放大3倍的4次谐波分量,证明即使微小谐波也不容忽视;
(2)电机参数特性研究:采用数值计算方法,系统分析了空载、单相直流激励和两相交流激励三种工况下的电机参数特性,揭示了传统模型与实际参数的三大差异,进而构建了精度更高的改进模型;
(3)力矩波动抑制算法设计:针对电磁力矩波动和齿槽转矩分别提出抑制策略,MAXWELL仿真验证表明,该算法可将力矩波动控制在1%以内,实现平稳转矩输出;
(4)矢量控制系统集成:通过MATLAB/Simulink仿真平台验证了所提算法在矢量控制系统中的可行性,实验结果显示力矩波动降低70%以上,显著提升了系统控制精度。