五相步进电机在平流泵中的应用
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平流泵是利用电机驱动柱塞泵，使液体以稳定的流量及压力输出的一种设备。它已广泛应用于石油、化工、医药等行业。其主要技术要求为，流量范围0.1mL～10mL，压力范围0～60MPa，流量的误差小于4％。从技术参数可以知道，如此小流量、高精度、高压力的流量计较难制造，因此在平流泵的控制系统中引入了五相步进电机，利用其控制性能好等优点，使系统工作可靠、并获得较高的控制精度。
基于斩波恒流的平流泵方案设计
1、平流泵总体方案设计
本系统由89C52单片机、8279键盘与显示、斩波恒流驱动电路、步进电机及负载组成（如图1所示）。
图1：平流泵控制系统组成
图2：绕组电流加载图
2、斩波恒流的原理及设计方案
步进电机的输出力矩是与绕组的电流成正比,作为执行元件的步行电机的绕组是一只电感性负载,通过绕组中的电流表达式为:
IL=VCC・(1-e-t/τ)/R
其中: IL是绕组电流，即相电流，单位A；VCC是绕组两端所加电压，单位为V；τ=L/R是电路时间常数，它代表线路在导通瞬间允许电流值上升的速率；R是电路的电阻。由绕组电流波形（如图2所示）可知，对绕组的通电时间进行控制，可以实现对相电流的控制，从而产生负载所需要的力矩，在高频时加大相电流，电机出力大；低频时减小相电流，电机出力小，可减轻低频振荡现象。
a. 相电流的控制
对相电流的控制,其实质是控制绕组的导通、截止时间。由系统要求的步进电机转速，可以计算出每相绕组的导通、截止时间(如图3所示)，在绕组导通区间加载一组带斩波的驱动信号(如图3中的驱动信号)，就可以实现对相电流的控制。
图3 驱动信号及绕组恒流逼近
①T1on时刻内，电路实际上是一RL充电回路，控制T1on的时间，可以使绕组上的电流快速上升至设定的大小，产生相应大小的力矩。
②T1L和T1H时间段，实际上是一反复充放电的过程，它使绕组上的电流保持在相对恒定的大小，使转子由一个平衡位置向另一平衡位置运动过程中保证有合适的转矩。
③当绕组截止时，断开绕组上的电压，使绕组的电流快速下降。
由此可见控制T1on、T1L、T1H可以实现对绕组在高频、低频及某个特定频段上的电流控制，从而控制电机的力矩。
b. 激磁方案的选择
混合式和磁阻式步进电机的相绕组在电气上都是隔离的，每相都用独立的驱动电路激磁，因此，任何时候都能同时激励几相。五相步进电机一般的激磁方案有单相5拍、单双相10拍、双三相10拍这几种方式，单相5拍在软件设计上较为简洁，但它没有利用五相电机的高精度，与双三相10拍相比步距角增加了一倍，且双三相十拍能提高电机的峰值静转矩。现说明如下：
五相电机的A相、B相、C相的静转矩/转子位置特性曲线的表达式为：
TA= -TPK・sin(Z・θ)
TB= -TPK・sin(Z・θ-2・π/5)
TC= -TPK・sin(Z・θ-4・π/5)
如果激励两相（如A和B相）或三相(如A、B、C相)，则总转矩为：
TAB=TABC=TA+TB=TA+TB+TC=1.6 TPK・sin(Z・θ-π/5)
其中：TA、TB、TC、TAB、TABC分别表示A相、B相、C相、AB二相、ABC三相通电时产生的静转矩；TPK是峰值静转矩；Z是电机齿数；θ是转子偏离步进位置的角度。由上式可知双相(三相)导通比单相导通激磁时，其静态力矩增加了1.6倍
采用双三相10拍更主要的原因是它减轻了低频振荡现象，双相或三相同时通电时等于在电机中增加了电磁阻尼。实验中我们对三种激磁方式进行了比较，双三相10拍的方式在改善低频振荡方面效果明显。
C．驱动电路的设计
目前驱动电路的种类较多，但应用最广泛的是单电压驱动电路（如图4.a）。这种电路的特点是加入了限流电阻，它可以提高电机的高频响应速度，提高高频性能，但它在绕组导通时是一纯耗能元件，使电机效率变低，且其散热问题也较难解决。为此我们设计了一种改良型的单电压驱动电路（如图4.b）。增加电阻Rf可减少放电时间常数，使相电流的后沿变陡，下降加快，提高电机的性能，加入电容Cf使相电流在斩波阶段逼近恒流。
图4 驱动电路
3、平流泵控制的单片机实现
实现对绕组电流控制的关键是对各种通断时间的控制。89C52型的单片机有3个定时器，在设计中将定时器3作为与上微机通信串口的波特率发生器，定时器1控制绕组的导通、截止的时间，定时器2作绕组导通阶段的斩波控制。
当平流泵的柱塞泵工作在高压时，由于阀件及管道的内泄等原因，柱塞泵的泵较将降低，这导致实际流量与理论计算值有偏差，通过减少绕组每拍的时间（即提高转速）来对流量进行补偿。
由于电机转速与流量并非严格的线性关系，所以在软件设计中将电机的工作速度区间划分成若于段，通过调节绕组每拍的时间(即调节转速)进行补偿，这样大提高了流量的精度，实践中流量精度达到了1％。
结语
实践中使用常微牌五相步进电机90BF006，激磁方案为双三相10拍，利用本文所述的斩波恒流的方法，在较低流量时（即电机工作在低频段）电流被控制在0.5A左右，减小了电机的低频振荡现象，在高流量时（即电机工作在高频段）电流能达到1.5A左右，提高了高频时的力矩。经过各项调试后，平流泵中的执行机构步进电机效率高、高频力矩大，低频振荡小，整个设备工作平稳、精度达到设计要求。