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一种吸收球装置用三相混合式步进电动机驱动方案

2020-11-25 290 上传者：管理员

摘要：介绍了一种吸收球装置用三相混合式步进电动机驱动方案。驱动工作过程要求运行平稳，对步进电动机细分驱动提出较高要求。借鉴正弦波永磁交流电机驱动方式进行细分驱动，达到200细分，在应用中效果较好。脉冲发送装置距离驱动器距离较远，改进输入脉冲滤波处理方式，较好地解决了远距离脉冲干扰的问题。

关键词：
三相混合式步进电动机
吸收球装置
细分驱动
脉冲输入
驱动器
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吸收球装置是第四代核电高温气冷堆的故障保护单元，正常运行时落球阀关闭;关键部件失效时或人工停堆时落球阀打开，让贮球罐内吸收球下落到反应堆堆心，吸收反应产生的中子从而实现冷停堆。这要求驱动部件在正常工作时输出保持力矩，维持落球阀关闭;在掉电或故障时可使落球阀打开。混合式步进电机作为开环控制的增量运动电磁执行部件，可以将输入脉冲信号转换成机械运动量输出，且具有一定的保持力矩，它非常适用于吸收球装置的驱动。由于吸收球装置运行中要求平稳，因而对细分控制要求很高，达到200细分;同时在核电厂中驱动设备与控制设备往往距离较远，这对步进电机驱动器对脉冲输入处理也提出了较高的要求。

1、电机驱动器组成与工作原理

本项目驱动电机采用三相混合式步进电动机，其驱动控制器组成如图1所示。

吸收球用步进电动机驱动器由远端的电气柜进行供电，同时通过隔离的脉冲输入端口接收上位控制器发送的脉冲信号，按照指定的细分方式驱动安装在反应堆上部的步进电动机运行，从而实现控制落球阀的开闭。同时，驱动器通过采样输出的电流和监测直流母线电压实现对驱动系统运行状态的监测，当出现过流、过压或欠压故障时，停止驱动步进电动机，并向上位控制器进行指示。

图1步进电动机驱动系统结构框图

2、三相混合式步进电动机细分驱动方法

2.1三相混合式步进电动机驱动方法分析

由于步进电动机的工作状态较为复杂，因而只能进行近似分析，其矩角特性近似为正弦[2]。假设混合式步进电动机磁钢在绕组中交链的磁通是按空间呈正弦变化的，则此时矩角特性也是近似正弦的[1]，当A相绕组单相励磁时在混合式步进电动机中产生的转矩[1]:

式中:zr为转子齿数;Φm为磁钢在绕组中交链的磁通幅值;iA为通入A相绕组的电流;θ为定子磁轴与转子齿中心线间的夹角。

则在B相和C相绕组分别单相励磁时，产生的转矩如下:

在磁路线性未饱和状态下，电机产生的转矩应满足叠加原理，显然对于三相电机满足:

若输入三相绕组的电流为幅值相同、相位各相差120°的正弦电流，则将在电机内产生沿气隙圆周连续推移的旋转磁动势，该磁动势幅值为单幅值的3/2，且旋转电频率与正弦电流频率相同[2]。即可得到:

式中:is为三相电流合成电流矢量的幅值。

可以看出，在电流矢量与转子齿中心线夹角为90°时，输出转矩正比于励磁电流。

同时，在假设混合式步进电动机磁路为线性并忽略漏感的前提下，设d轴为定子中心线方向，q轴超前d轴90°电角度，则可得到与正弦波永磁交流电机相似的电压方程[3]:

式中:vd,vq分别为d,q轴电压;id,iq分别为d,q轴电流;Ra为相电阻;La为相电感;ωe为电气转速;KE反电动势系数;p为微分算子。

结合之前获得的电磁转矩公式，可知:

结合以上两式，由正弦波永磁交流电机转矩公式[4]可以推定，在假设三相混合式步进电机矩角特性为正弦的前提下，其与正弦波永磁交流电机的控制方式相近。三相混合式步进电机每一齿对应正弦波永磁交流电机每一对极，但由于步进电机通常采用开环驱动，此时转子位置未知，在驱动过程中无法始终保持定子磁动势与转子磁势正交，此时参考开环步进驱动的控制方式[5]，即向电机内通入开环步进电流矢量，拖动电机运行，此时定子电流矢量与转子齿中心位置的夹角取决于电机负载。

2.2三相混合式步进电动机细分驱动

参考采用永磁交流电机的三相桥功率电路对其进行驱动，如图2所示。

图2步进电动机驱动器结构

步进电动机的运行或静止位置与定子的合成磁势的方向密切相关。在理想条件下，合理地调节各相的励磁电流，步进电动机可以停在要求的任一位置，亦可按要求的步距和方向稳定运行。

考虑利用3/2变换实现由三相绕组坐标系A,B,C到两相静止坐标系α，β的变换，再利用2s/2r变换，实现由两相静止坐标系α，β到两相旋转坐标系d,q的变换，其中d,q坐标系与α，β坐标系的相对角度按当前指令角度估算。驱动器通过控制d,q轴电流的大小来实现对步进电动机位置与转矩的控制，其控制结构如图3所示。

图3控制结构框图

由于本项目步进电动机为开环控制，因而设定的d,q轴电流ids,iqs(出于简化的考虑，设定ids为指令电流值，iqs为0)用于设定指令坐标系ds,qs下的电流矢量，从而控制输出静转矩的最大值。该坐标系与实际的电机转子坐标系dr,qr并不一致，在稳态运行、负载恒定的条件下，设定坐标系与实际坐标系存在一个稳定的角度偏差，如图4所示。

图4电流矢量坐标示意图

目前，采用此种控制方式基本达到性能指标要求，存在的问题是:当接收到新输入脉冲指令时，将以更新的位置指令为依据，对采样电流进行变换，由于此时电机尚未旋转至指令位置，因而变换后存在一定的电流偏差。驱动器按200细分，其步距较小，此偏差值对于驱动效果影响较小，故本项目仍采用了此种驱动控制方式。

3、输入脉冲滤波处理技术

根据用户要求，上位机控制器至驱动器的距离较远，约为40m，其中步进脉冲信号频率约为1kHz，同时上位方出于控制的考虑，限定输入信号在7～10mA条件下为“1”，此时长电缆的传输线效应将变得不可忽视。由于现场的工况，实际的脉冲传输线路将经过几次转接(机柜接线排、密封装置的贯穿件等)，导致脉冲信号中还将引入较大的干扰，且采用单端模式。在未引入滤波的情况下，与上位系统调试情况较差。后根据用户反馈，我们对脉冲处理方式进行了分析。具体如下:

驱动器的输入脉冲由上位机产生并发送给驱动器，根据双方约定，该脉冲满足步进电动机的运行规律，有起动和停止过程，即有脉冲的加速和减速过程。为保证驱动器与步进电动机运行升速过程中不失步，最快升速过程应符合动力学方程:

式中:J为折算到电机轴上的转动惯量(含步进电动机转子、传动机构以及负载);B为摩擦系数;TL为折算到电机轴上的负载转矩;Tf为当前运行频率f下的步进电动机最大转矩。

由于步进电动机采用恒流驱动方式，其运行矩频特性曲线近似为直线，则Tf可近似为一常量。为简化计算，摩擦转矩与负载转矩也可一起近似为一常量TL。

同时，由于式(7)中第一项中的二阶微分项与电机运行频率有关:

式中:δ0为步距角。则可简化:

式中:，为一常量;T0=Tf-TL，为一常量。可以解得:

由式(10)可知，最佳升降速曲线应为一直线。若不能完全按照此最大升降速曲线实现，则每一升速点的斜率都不能超过这一直线的斜率。通过与上位机进行沟通，该加速和减速过程或者以直线(匀加速、匀速和匀减速)实现，或者以S曲线(加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速，匀减速、减减速)实现。由于毛刺信号出现在两个脉冲之间，当其出现在接近下一个脉冲信号时，错误接收脉冲产生的加速度较小;而当其出现在接近前一个脉冲信号时，错误接收脉冲产生的加速度较大，易导致失步。因而，考虑毛刺信号的滤除条件为接收脉冲的间隔大于某个值。为确保脉冲的接收准确，本项目采用捕获计数方式，计算两个脉冲上升沿之间的间隔，设其为tn(第n个脉冲)。根据步进电动机的运行原理，每个脉冲后，步进电动机运行的距离是相同的，设其为sΔ。则根据以下几种情况分析脉冲输入间隔之间的关系。设t时刻的总位移S(假设刚好为第n段位移时):

则其反函数:

根据反函数的导数定理，则可得:

由于:

则显然可得:

可以看出，以上的二阶导数是可以通过位移表达式得出的，若我们可以据此得出二阶导数的正负性，继而可以得出tn的凹凸性，从而可以获知tn-1,tn和tn+1三者之间的关系。下面对具体情况进行分析:

(1)恒加速起动时(直线加减速，加速度为a)

t时刻的总位移(假设刚好为第n段位移时):

根据反函数的导数定理，则可得:

显然其为单调增函数，则可得:

则由凹函数性质可知，其为凹函数，则可得:

(2)匀速时(直线加减速，初始速度为v0)

显然满足tn+1=2tn-tn-1。

(3)恒加速停止时(直线加减速，加速度为a，初始速度为v0)

t时刻的总位移(假设刚好为第n段位移时):

根据反函数的导数定理，则可得:

显然其为单调增函数，则可得:

则由凹函数性质可知，其为凹函数，则可得:

由以上分析可以看出，在本项目约定的运行条件下，均应满足下式:

按以上结论编写脉冲滤波程序，驱动器内部采用软件脉冲滤波方式，如图5所示。

图5脉冲软件滤波流程

4、应用

根据上述方法，搭建吸收球用步进电动机驱动器，如图6所示，步进电动机50齿，每齿按200细分，在输出电流4A条件下，达到输出转矩8N·m，经测试达到项目技术指标要求。

图6吸收球用步进电动机驱动器

同时，通过与用户上位机和利时NM840模块进行联合调试，在长线脉冲条件下(200m)，驱动器接收脉冲数与上位机发送脉冲数一致，满足了本项目的应用需求。最终本项目已应用于华能石岛湾高温气冷示范堆项目，达到用户使用要求。

5、结语

本文通过分析三相混合式步进电动机的矩角与电压特性，借鉴正弦波永磁交流电机的驱动方式实现细分驱动;同时根据项目应用要求，实现对于长线脉冲输入的滤波处理，达到了项目应用要求。

参考文献：

[1]刘宝廷,程树康.步进电动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]杨耕,罗应立.电机与运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2006.

[4]汤蕴璆,史乃.电机学[M].第2版.北京:机械工业出版社,2004.

[5]孙鹤旭.交流步进传动系统[M].北京:机械工业出版社,1996.

高欣,孙伟.混合式步进电动机细分控制和脉冲指令处理[J].微特电机,2020,48(11):47-50.

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期刊名称：现代应用物理

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主管单位：西北核技术研究所

主办单位：西北核技术研究所,国防工业出版社

出版地方：陕西

专业分类：科学

国际刊号：2095-6223

国内刊号：61-1491/O4

创刊时间：2010年

发行周期：季刊

期刊开本：大16开

见刊时间：4-6个月

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