二相混合式步進電機的高性能驅動器研究

如圖7陰影部分所示，電機高頻運行時，為使電機繞組在短時間內仍能獲得足夠驅動電機運轉的能量，在原先設定的電流波形的基礎上額外增加供給電流，補償減少的部分，提高相應的牽出轉矩。低頻時，為防止電流過剩，導致低頻振蕩，實時減少電流供給，如圖8陰影部分所示。

保證電流的有效補給，f與u的變化呈現(xiàn)一個非線性關系模型，并與Logistic生物增長模型近似逼近。邏輯斯諦是一類非線性回歸模型，提出這個模型的初衷是為了解釋新物種在生態(tài)系統(tǒng)的增長變化趨勢。當一個物種遷徙到一個陌生的生態(tài)系統(tǒng)，而且該物種的起始總數(shù)量小于新的生態(tài)系統(tǒng)的最大容納量，則數(shù)量會增長，增長趨勢滿足邏輯斯諦方程。Logistic模型表達式為

式中x是自變量，y是x的函數(shù)，a、β、k是待定的常數(shù)。
物種到達一個新環(huán)境后的增長趨勢如圖9所示。從最初的起始值增長至平衡值，即式(7)中的常數(shù)a；β決定初始值的大小，β大于0時起始值落于最大值的下方，等于0時y為一條直線，小于0時起始值大于最大值a；而k是增長快慢的常數(shù)，k越大增長速度越快，且k只能為正數(shù)。

電機的繞組電壓與頻率的最佳曲線關系如圖10所示。
由此得出電壓和頻率的驅動方程。

式中f為頻率，u為電壓，a、b和c為驅動系數(shù)，e為自然對數(shù)的底數(shù)。在f的增大過程中，u的變化趨勢是先緩慢，再急劇，最后慢慢趨近于a，即設定的最大驅動電壓值。

4 實驗與結論
電機選用無錫三拓二相混合式步進電機57HS5125A4，額定電流2．5 A，最高起動頻率約為200 Hz，步距角1．8°。若PWM最終信號頻率設置為500 Hz，則f=0．8×500 Hz=400 Hz。在加速至400 Hz時采用臺階緩慢升速；減速過程由20％余量的臺階實現(xiàn)。選取合適的b值可以確定加速時間，b取0．05，加速時間約為0．3 s，減速時間為0．05 s，加速不失步，上升快而穩(wěn)，是一種比較合適的升速曲線；減速沒有過沖現(xiàn)象。二者形成最佳升降速控制曲線。
該設計方案已做成實物并在使用之中，測得某一相繞組電壓和頻率之間的波形變化關系，如圖11所示。頻率和電壓采用邏輯斯諦模型電壓控制方式，繞組脈沖信號的頻率越高，供電電壓也越來越高，電流實時補償，波形毛刺較小，驗證了本方案的正確性。

經(jīng)過測試及長時間使用證明，該驅動器具有低頻穩(wěn)定、高速有轉矩、適用范圍廣、工作可靠和矩頻特性較好等優(yōu)點，現(xiàn)已投入實際使用。