豆 拥 跽管 步 咤 云 力 L 王 宗培卢道 英 (哈尔滨工业大学) 爵强 论文 · TtmS 苴 窖 【 擒要 】五相}是 舍式步进电动机通常有十个极，相对的二个懈属于一相圈之间的连接特殊，即通电时二个极同为N慢或S极。绕组通电产生的磁通主要经本相 的磁极闭台，而它是必须全部经其它相的磁极闭 占。 这就 使 得 产 生转炬的机理复杂化。本文运用每极每端(每殷{囊心的每极)电磁转矩相量的概念，分析一福 绕 组 通电时各段铁． 0 所有极下的磁状态，得知 “ 极段转矩相量” 的大小及相位．怍出极段转矩相 量 星 形图，合成便得出整个电机 的电磁转矩相量． 【 关 键 调 】 五...

　　豆 拥 跽管 步 咤 云 力 L 王 宗培卢道 英 (哈尔滨工业大学) 爵强 论文 TtmS 苴 窖 【 擒要 】五相}是 舍式步进电动机通常有十个极，相对的二个懈属于一相圈之间的连接特殊，即通电时二个极同为N慢或S极。绕组通电产生的磁通主要经本相 的磁极闭台，而它是必须全部经其它相的磁极闭 占。 这就 使 得 产 生转炬的机理复杂化。本文运用每极每端(每殷{囊心的每极)电磁转矩相量的概念，分析一福 绕 组 通电时各段铁． 0 所有极下的磁状态，得知 “ 极段转矩相量” 的大小及相位．怍出极段转矩相 量 星 形图，合成便得出整个电机 的电磁转矩相量． 【 关 键 调 】 五框混台式步避电动机电磁转矩相量， 这二个极上线 因此 ，不 像其 它多数 步进 电动机 耶样 ，一 相 极段转矩相量 T HE P R INCIP L E OF F IV E PH A SE HY B R ID S T E P P ING MOT OR [ A bstrac t] ~ sually ， t here are 30 poles on the stat or of a hyb r1d steppi ~g m ot o r ． T h e p oles w h i c h op p os it e ea c h ot h er c on s t lt u t e on e p ha s e． T h e s p ec ia l co r mec t i on o f t h e c o il s on t h ese t W o p ole s i s a d o pt ed ． so t h at w h en t h e c tt r r en t f l ow t h e c o i l s t o m a ke c o u n te r p o la r i t y on th es e t w o po les ． T h e r ef o r e， t h e m a gn et i c f l u x p ro d u ce d by o ll e e xc i t ed p ha s e w i n di n g ． m u st c l ose s b y p a ss i n g a 11 ot h er p ole s， ra t h e r th a n t he c o n v en t i on a1 S M i n w h i c h t h e f l u x c ~Os eS th r o ． ug h t he pOle s o f s~tm e o n e p ha s e．F o r t h i s r ea so n ， th e p r od uc i n g t o r q u e m ec h a n i sm b eca m e co m p lex ． I n t h i s a r t l c le，a p p ly in g t h e c on ce pt o f t o r C l ue ph a s o r o n e er y en d o f t h e po le s， an a ly z i ng m a gne t i c s ta t e o n a ll po l es o f ea c h co re sec t l on ．a 5 o n e p ha se w i n d i g i s ex c it ed ， t hen t he v a lue an d p ha se o f p ol es - sec tJo n to t q ue ph a so r ，a n d s ta r f i gu r e a r e ma de ou t．T h e e !cct rOm agn eti c to r． q ue p ha so r o f t h e w ho le m o t o r i s o b t a ine d b y c o m p o si t i on o f t he m ． [ K eywords]f ive． phase hybri d stepping moto r elect ro magntic t orque ph a so r ． p ol es s ec t io n t o r q u e p h a s o 一、 五相混合式步进 电动机 l 974一l 975年间， G ． Heine~ 请 了 一 些 五相 混台式步进 电动机系统 的专利， 随后 又发表了一些文章，介绍了这类步进电动机 的特 点，认为这 类电机 采用五相 ， 是 一 种 本文1988年1o口31日收到 的相数选择。步进电动机的运行性能在 很大程度上取决于它的矩角特性族，即不同 通电状态的静转矩曲线及由此产 生 的 稳 定 ( 平衡点 ) 数，即通常说 的运 行拍 数。五报 混合式步进电动机在以半步方式电) 运行时，稳定数或拍数 ml = 2O， 这表嘎 ( 4- -5通 一3 一 维普资讯 铯文 THESIS * 在动态运行过 程中，即使 过冲量达到步距角 的十倍 ， 电动机也不会失步 。 而通常所说的 四 相混合式步进电动机 ， 实质上是二相电 动机 ， 半步运行 ( 12通电 ) 时拍 数为 m = 8 ， 所 以在稳定 性方 面要差得多。 G ． H eine在文中还介绍 了五 相 混 合 式 步进电动机二 相运 行的控制方 法 以获得不同 的步距角 或分辨率 ，步进电机以及在同一定子情况下 采 取不同转子齿数 获得 不同步距角的原理 。 五 相混合式步进电 动机问世 以来 ，由于 它 优异的运行性能而受 到重视。 许多 国家 ， 包 括 美 国 日本 等都 相继引进德 国的这项专 利 ， 生产 基本上相同的五相混合式 步进电动机 。 我 国1984年开始发展的简 易 型 数 控 机 床 ，采 用 国内原有的三相和五相反应式步进 电 动机开环运 行方式，步进电机暴露 了这类步进 电动 机驱 动系统 的许多 弱 点 。 例 如 低 频 运 行 稳 定 巨差 、振 动噪声大 、 低频共振 区的出现、 运 行频 率不 够高 、快 速性能差 、运 行矩频特 性 软、驱动能力不足 、 运行效率低等 。 此而促进 了 国内功率 型混合式步进电动机的 发展 ，1987年 自行设 计的五相混合式步进电 动机及 其配套 的驱动器 通过研制 后开 始产 品 化 。自行设计 的五相混 合式步进电 动机 ，采 用 国产 的稀土永磁材料 ，在 结构上有 自己的 特点，在设计上充分吸 取我 国积累的经验， 使得设计合理，性能 良好。 相应 的驱动器在 电路上也有 自己的特点 ，既保证 电动机有高 的运行性能 ，又使电 路尽量简 化 ，提 高可 靠 性和性能价格 比。 目前， 国产 的五 相混 台式步进电动机 已 开始在若干领域 中应 用，今后应 用的领域 将 不断扩大。 由于这种电 动机的结构、原理 和 控制 等都有一些特点 ，与通常用的三、五相 反应式步进电动机及四相混合式步进电动机 相比有 明显的区别。 国内不少步进电动机 的 应用部 门对它尚不熟悉 ，因此 ，对这类 电动 机 的若干 基本问 题和 概念作扼 要的 阐述是有 必要的，有利于它的发展和推广应用 由 一4 一 二 、五 相 混合 式 步进 电动机 的典型结构 图 l 是五相混台式步进电 动机典型结构 的示意 图。定子有十个极，每一对极属 于一 相 ，磁 极表 面有 小齿 分布 的小 齿，转子铁心分成二段 ( 或二 的倍 数段 ) ，中间夹一片 轴 向充磁的永磁体 ，二 段 转子 铁心上的小齿沿 圆周相互错开半个齿 距 角，定 子的五 对极上分别绕有五相绕组 ， 绕组 的连接如 图 2 所示。一相绕组通 电时使 这一 相 的二 个极具有 相同的极 性 ( 同时为 N 极 或 s 极 ) } 相邻的极属 于相邻的相，相邻 磁 极上的小 齿与 转子 齿的相对位置相互错开 3／ 5齿距角。 转子铁心外圆有均 匀 图 l 五 相 浞台 式步 进 电机典型 结 构 图 2定 子 绕组 连接 图 三 、产生电磁转 矩的基础分析 1 ．双 开糟 齿屡间的电磁转矩 考 察每一 台步进 电动 机的极，其表面有 s个小齿，转子表面也有一些齿距相等( 或 维普资讯 相 近) 的小齿 ，定 子齿槽、转子齿槽 和气隙 构成 双开槽 电机 的齿层 磁压 降 ， 即有磁通通过时 ， 由于齿槽效应 将产 生转矩。 转矩 的值 取决于齿层磁压 降的值及 定 、两相步进电机转子齿的相对 位置 ( 见图 3 ) 。 e = 0 时 ，转矩 l ：o ；o。 o ， 则 o 可 见，当转子位置从日。 = o 处偏 离时 ， 电磁转矩都 力求使转 子回到日。 ：0处， 也就 是说日。 o 是这个 电磁 系统 韵稳 定平衡 点 。e 。 = 时 ，也有T = O ，但 是 当0 ． 偏 离日 t = 位置对，电磁转矩只会 促 使 转子 位置 更加 偏 离，所以它是不 稳定平衡点。 当这样 的齿层 上有 l o ； 0。 0， 榭 毛 图 3 电磁转矩与位置的关系 2．转 矩相量 段 铁心一个 极下的 电磁转矩 ，它 的值 与定转子齿的相对位置有关 ，近 似地可用一 条 正弦 血线a所示 。 正弦 曲线的 幅值则 取决 于该齿层部分磁压降 的大 小 。不 同铁 心段 各个磁 极的 电磁转矩 相加 ，可 以得 到整个 电机的 电磁 转矩。显然，这 是一 些幅 值 不等、 相位不同 的正弦波形的 曲线 相加 ， 如果 引入交流 电路 中相量的概念 ，将 是很 方 便的 。例 如，铁心段 l 的一个 的 电磁转矩用 相量T 。 -表示 时 ( 见图4b)相邻极的 转矩便可 表示为与它错开 0． 6( 2 ) 电弧度 ( 216。 ) 的相 量 l。 一相极下产 生 ， 3 ．永磁 体磁场产 生的转矩 电动机五 相绕组均不通 电，只有 永磁体 作用时 ，每 个极齿层的磁压降都 相等，但是 定、转子 齿的相对位置不一样 ，所以 各个 极 的电强转矩，应是一些幅值相等，相位不同 论文 n msI8 的相量，如 图 5 所示。 以左端来说，十个极 中每 相的二 个极是完全一 致的，所 以只 要取 出一半五个 极来考 察就够 了。这五个极的转 矩相量构 成一个对称 分布 的五星形 ，显然合 成转矩 为零 。另一端 因转子转过专0t，所 右 端的转矩相量图整个转了180。 。合成转矩 为零 的结论 很容 易理 解，由于永磁 体的外磁 路就是这些极下的齿层， 各个极的齿与转子 齿的相对 位置 相互 错开 ，使 得铁心一端 各个 极下磁导的总和与转子位置几乎无关。对于 永磁 体来说 ， 好像 是一个光滑 的转子一样 ， 也 就不会形成与机电能量转换直接相关的电磁 转矩。从另外 的角度看，一 个定子极的二 端 的齿层 ，对永磁磁 路来讲是外磁 路的二个串 联磁 阻 ，当一 端齿对齿磁阻 小时 ，另一端 使 齿对 槽磁 阻 大，也就 是说 从这个 串联磁 路上看 ，转子 位置改 变时 ，总磁 阻 基 本 不 变，因此不产 生台成转矩， 如 图 5 中 ． - 与 - 、 ，与 ， ⋯ ⋯ ，都是大小 相等方 向 相反 犯) (a) 转矩转 定曲线 电磁 转钜 波 形 与招 量 桊 ： 矩相量 十 = 图 5 一捉有永磁 1 率作用 琦 向晕琶 1 量是 形图 一5 一 善 = 【 - 维普资讯 论支 THE SIS 详 细的分析 将表 明，只有 永 磁 体 作 用 时 ，电磁转 矩的五次 及五 的倍数次 波谐 的合 成不为零，称为该电动机的定位转矩 甚 小。 一般 4． 仅有 相绕组磁势作用产生的电礴转 矩 以 相绕组 通电为 例 ( 见 图 6 ) ，A 相 绕组磁努产生 的 0 极磁通 ，经b、c、d、c相 的磁极 ，基本上是沿径向轭磁路闭合的。显 然，口 极下齿层 的磁压降大 ， 其它各极下 的磁 压 降小 ( 约为0极下 的{ ) 。 相应地转矩相量 星形 图 中T ． ， 较大，左端 各个 极 下 的 合 成 转矩不为 零。但是，另一 端各个极下 的转矩 相位相反，大小一样，两相步进电机故整个电机的合成总 电磁转矩为零。 图 6 一 仅育 相 绕 组磁 势 时的 转矩 相量 星形 图 s ． 永磁磁 势与绕组磁势 的共 同作 用 如 图 7 所示 ，各个极 下的磁 场情况 ，可 看成是 图 5 和 图 6 的合成 ( 先看左端 ，口 极下磁压 降相加 ， 转 矩相 量 ． - 更大 ，其 它极下 永磁磁 努与绕组磁势作用方 向相反 ，齿层 磁压 降及相应 的转矩相 量便 较 小，加 起来有 较大 的合成 电磁 转矩，方 向为 T ． ， 的方 向。再看 右端 的情 况，口极下二 种 磁势作用 的方向 相反 ， 转矩 ( r ． ) 变小， 在特殊情 况下可 为零 ，b、c、d、 方向，转矩增大，合成转矩与r ． ．即变成与r - t方 向相 同 正方向通电时，整个电机的合成转矩 ( T ^) 相通电 时 ) 。 极 下则同 1}目 位相反， 相 绕 组 这表 明， 一6 一 与T--同相位。不 难曼 出， 通 电时，合成转 矩 ( I ^) 与T ． 同相位 ， 即 转 相绕组反方向 矩随 着电流的反 向而改 变方 向 士 图7 永磁 醚 势靠 绕组磁 势共 同作用 时 的转矩相 量 星形 图 四、通 电方式与步距角 以上分析表 明，一相绕组通 电时，它的 磁努与永磁磁势相互作用下，将产生合成基 波转 矩。 相绕组正方 向通 电时 ， 合成转矩可 以用 曲线T ^或相量T 表示 ( 见 图 8 ) 。 稳定 平衡点 0 对应 于左端 4 极 下定转子 齿 对 齿 ( 即右端口 噩下齿对槽) 的位置， 以它为参考 点，嚣 相 绕组 正方 向通 电时 ， 稳定平衡点在 0 。 ：216。 处 。其它 各相单独正方向通 电时产 生 的合 成转 矩相 量，依次错开216。 。各相绕 组单独反方 向通 电时 ，合成转矩相量与对应 相正方向通 电时反相 ，如 图 8 中r ^、T B、 T c、T D及T E所示。 图 8 中的转矩相量T ^、 r B，⋯ ⋯ ，表示一 相绕组通 电时， 所 有 极 下产生的转矩的合成 。 与转 矩相量T ． -、 T ． ， ⋯⋯， 表示 电动机一端一个 极下 的电磁 转矩 概念 上完全不一 样 。 事 实上T ． -、 r b 都属 于电动机的 内部参数。 在一般 的对称多相 系统 中，如果相数 为 ⋯ --， ⋯o m，相邻相应依次错开( )，五相时应 相互错开 2。 。 这里则不然，相邻 相依次错 开 一上1 了 ( ) 360。 ，m= 5 时枢互错开 2J 6 ， 这是参照了五相混台式步进电动机的惯例 维普资讯 ●■ ■ H 不难看 出， r ^、r c、r E，T a、T D、T ^之间 相互错开72 ， 所以按照通常的多相系统的 概念，不 妨认为A 、C 、两相步进电机日、 团姐 D 对应于1 、 2 、 3 、 4 和 5 相。 暑 、 赴 。 ＼ ， 图 B 一相通电的合成转矩曲线及相量 由于反向通电时转 矩方向相反 ，所 以五 相 电动机实际上相 当于十相。这十相依次是 、 ． B、C ，D ，E 、步进电机 、目、 C 、D和 日， 它 们 单独通 电时的 合成转矩相量 、T a， ⋯ ⋯ ， 依次错开 = 36 。 几相 同时通 电时， 电动机的合成转矩近 似 地可 以用相 量相 加的方法 求得 通 电时可 以获得 限度的合成转 矩(T ) ， 如图 9所 示。 五相同时 T 5 = 3 ． 2 4T 1 四相同时通 电时的合成转矩也接近 限度 ，即 T 4 = 3 ． 0 8T 论文 n 蟾s Is 式 中T 一一 相通 电时转 矩的幅值 T ． 一四相通 电时转 矩的幅值 r 一五相通 电时转矩的幅值 图 日 多相通 电 时转矩 的合成 从产生转矩较大的角度出发，可以采取 4 、5 5或45通 电方式 ，它 们的逻辑通 电状态变 化顺 序如表 1 所示 。4 4通 电或 5 5通电时，每个逻辑通电循环 包含十 个 通 电状态 ， ， I- = 10j 45通 电时 ，每个循环 为 二 十个通 电状态，t， l = 20，即通常所说 的五 相十拍或五相二十拍运 行，步距 角 相 应 地 为t 9h= ： 或 转子 齿数 ：50时 ， 齿距角日。 = ! f _ ： 2。 ， 于是步距角便为民 = 0． 7 为实现上述逻辑通 电状态 的顺 序变化， 给电动机的控制 脉冲序列 ，需经过环形 分配 器 ，它应有 十个输 出端 ，控制相应 的功率开 关管导通或关 断，使 得相应绕组关断、 正向 通 电或反向通 电， 常用的功 放电路有 五相日 桥 电路 与五 相桥 电路等 ( 见图10) 。 或0． 36。 。 维普资讯 论文 TH ESIS ： 二二 窭 ( a)五 相H 桥 电路 图1O功 放 电瞎结构 举例 ( b) 五相 桥 电路 裹1五相 混合式步进电 动机逻■ 通电状态裹 五 相 十 拍 一T 一。 _55 电 ] 44通 电 { j 五 相二 十拍 4 5 通 电 l 4 5 c d 4 c 0 4 F c - d 2 c -d e c 一 。 4 c d 。 3 c 一 0 c t 6 5 c d 0 l d t 4 5 t i c 5 0 口 c t 5 d c 4 6 6 d 4 矗c e t i b 7 d 5 d a d t i b 8 一 c d 4 i 4 d 0 b c 遣 五相二一 拍，45通电时还有i b～ c d-e，5 a-b ， 吾c， a-b c，- e a b c d, 口 ，6 d e -c d ；口 ， 口 ， d c 。 等通电状态。 参考文献 1 哈 工大成都 电机 ．步 进 电动机 ． 科 学 出 版社 ，19； 9． 2 郭来仪．增量运动控制 (第二册) ( 中译本)． 一8 一 哈工大 出版社．1982 ： 254~ 285 3 王 晓 明王 宗培 ． 五 相混台式 步 进 电动机 的 牵 出矩频特性 ．搬特电机．1987( 3 ) 维普资讯
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