九相混合式步進電機環(huán)行分配器的研究與設(shè)計

摘要：本文給出了一種用通用可編程邏輯陣列設(shè)計九相混合式步進電機環(huán)形分配器的設(shè)計思想，使環(huán)形分配器的設(shè)計更加簡明，同時降低了功耗，提高了可靠性。

關(guān)鍵詞：通用可編程邏輯陣列 環(huán)形脈沖分配器

0 引言

隨著機器人技術(shù)，F(xiàn)MS技術(shù)和FA技術(shù)而出現(xiàn)的直接驅(qū)動方式（DD方式），是一種較為理想的驅(qū)動方式，對電機直接驅(qū)動系統(tǒng)來說，就是將電動機與其所驅(qū)動的負載直接耦合在一起，以消除由于減速機構(gòu)的存在而帶來的齒間，齒槽效應(yīng)和機械磨損。九相混合式步進電機的研制成功，為直接驅(qū)動系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。由于九相混合式步進電機的研制和開發(fā)歷史不長，電機驅(qū)動電源中的環(huán)形脈沖分配器專用芯片目前尚未見到，國內(nèi)外廠家生產(chǎn)的九相混合式步進電機驅(qū)動電源中的環(huán)形脈沖分配器大都是由數(shù)字邏輯集成電路或EPROM存儲器構(gòu)成，由于九相步進電機的運行節(jié)拍和運行方式較多，采用這些方式設(shè)計的環(huán)形脈沖分配器結(jié)構(gòu)復(fù)雜功能較少，可靠性不高。近年來隨著通用可編程邏輯器件的出現(xiàn)，為邏輯電路的設(shè)計提供了極大的靈活性，因此完全可以用邏輯可編程器件設(shè)計步進電機環(huán)形脈沖分配器。本文給出由三片GAL20V8構(gòu)成的九相混合式步進電動機環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計方法。

1 九相混合式步進電機的勵磁方式及環(huán)形脈沖分配邏輯

按混合式步進電動機的原理分析，一相繞組通電時，它的磁勢與永磁磁勢相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電流不變時它是轉(zhuǎn)子位置角的周期函數(shù)，近似地是一條正弦曲線，變化周期是一個轉(zhuǎn)子齒距角（電角度360），可以用向量形式來表示，如圖1所示TA表示A相繞組正相通電時產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，TA-表示A相繞組反相通電產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，由于相鄰級定子齒的相對位置錯開5/9齒矩角，所以相鄰相（B相）通電產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子向量也錯開2∏×5/9電弧度，如圖中TB所示，順次可得每一項繞組單獨通電的九個轉(zhuǎn)矩向量，在一起構(gòu)成的均勻分布的九星圖。從圖1所示轉(zhuǎn)矩向量圖看，可以有多種通電勵磁方式，但為了產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，在電機運行過程中應(yīng)使盡量多的繞組同時通電。

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通常采用8-8，9-9（整步）或8-9（半步）通電方式，整步運行方式中的9-9相通電方式雖較8-8相通電方式的合成轉(zhuǎn)矩大，但由于驅(qū)動電源中采用橋式電路時存在上下橋臂換向容易引起短路而較少采用。本文給出的是8-8相通電方式和8-9相通電方式的環(huán)形脈沖分配器設(shè)計方法，每個循環(huán)分別為18個和36個通電狀態(tài)，即九相十八拍和九相三十六拍，根據(jù)合成轉(zhuǎn)矩向量圖，可以得到8-8相通電方式和8-9相通電方式下的邏輯通電狀態(tài)變化順序。

2 環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計

九相混合式步進電動機環(huán)形脈沖分配器采用九相星接橋式逆變器，需18路信號來分別控制18只功率管，使之導(dǎo)通或截止，目前通用的GAL器件只有8個三態(tài)輸出端，所以本文給出了三片GAL20V8構(gòu)成的環(huán)形脈沖分配器（如圖2），為了保證預(yù)置的可靠性。參數(shù)必須滿足R2C2>R1C1，圖中CLK和PR輸入端周邊電路是為實現(xiàn)輸出狀態(tài)自動預(yù)置而設(shè)計的，當(dāng)然也可以由外部電路實現(xiàn)狀態(tài)預(yù)置。

如表1所示，該環(huán)形脈沖分配器，還應(yīng)有相應(yīng)的輸入控制端，根據(jù)圖2可以得到環(huán)形脈沖分配器的輸入/輸出狀態(tài)組合關(guān)系。定義為：

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文中并不需用多變量卡諾圖的繁雜化簡過程，根據(jù)定義，通過對表一所示邏輯通電狀態(tài)的分析，就可以得到九相混合式步進電動機環(huán)形脈沖分配器的邏輯表達式。

3 結(jié)束語

本文通過對130BYG9100九相混合式步進電機的試驗驗證是可行的，給出的用GAL器件設(shè)計九相混合式步進電動機環(huán)形分配器方法，所設(shè)計的環(huán)形脈沖分配器電路大為簡化，可靠性更高。

參考文獻：

[1]徐殿國，王宗培.五相混合式步進電動機環(huán)形分配器的設(shè)計.微特電機及控制技術(shù)，1993.

[2]姜淑忠，可變步距角的九相混合式步進電機的研究，哈工大博士論文，1991.

[3]坂本正文（日）.《步進電機應(yīng)用技術(shù)》.科學(xué)技術(shù)出版社，2010，5.

作者簡介：

劉志宏（1968-），男，河北保定人，工程師，研究方向為電力自動化及控制技術(shù)。