技术论文｜基于嵌入式的步进电机远程控制技术

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[1]刘雪梅,王卫军.基于嵌入式的步进电机远程控制技术[J].自动化与仪器仪表,2021(07):76-79.

作者：刘雪梅,王卫军 (西安明德理工学院)

摘 要:传统远程控制技术传输控制信息时,电机接收的电压畸变信号存在噪声,数据读取不够完整,导致电机 实际运行情况与控制指令存在误差。 为此,提出基于嵌入式的步进电机远程控制技术。 根据模糊控制理论,优化步 进电机模糊控制器,将控制器作为电机现场端的一部分,并与嵌入式服务器、远程控制客户端产生通信,将控制信号 转换为电压畸变信号,降噪处理后,通过控制器读取控制指令,将指令传递给电机驱动器,驱动电机转行。 配置控制 指令数据传输的通信网络,进行对比实验,结果表明,此次设计技术相比传统技术,提高了控制信息的接收准确性和 接收效率,同时降低了反馈速率与给定控制速率的相对误差,使电机实际运行情况,更加贴近客户端给出的控制指 令。

关键词:嵌入式;步进电机;远程控制;通信信号;模糊控制器

（来源： 自动化与仪器仪表 2021年第7期）

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打破传统永磁电机壁垒—新型定子永磁型混合式步进电机详细解析

定子永磁和转子永磁混合式步进电机性能比较研究

鲁炳林，徐衍亮，辛峰

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.171059

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项目背景

　　混合式步进电机综合了磁阻式和永磁式步进电机的优点，转矩密度大、定位精度高、开环控制方式简单，已成为工业自动化领域应用最为广泛的步进电机类型。然而，目前通用的转子永磁型混合式步进电机(RHSM)由于永磁体放置于转子上且沿轴向充磁而导致许多结构弊端，不但制约了其性能及容量的进一步提高，而且给此类电机的分析计算和设计带来极大困难 。

　　目前，针对RHSM的驱动和控制、建模和计算、分析和设计，已进行了大量研究工作，并取得了不少研究成果。另一方面，由于突破了传统转子永磁电机在功率密度、容错性能和调速能力等方面的技术瓶颈，定子永磁型电机已成为目前电机领域的研究热点问题，如定子永磁双凸极(DSPM)电机，磁通反向(FRPM)电机，磁通切换(FSPM)电机等。然而，鲜有文献涉及对改善RHSM性能的新型电机拓扑结构的研究，尤其是定子放置永磁体的混合式步进电机结构 。　

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论文所解决的问题及意义

　　针对RHSM的结构弊端，并结合定子永磁型电机的结构优点，本文提出了一种新型定子永磁型混合式步进电机(SHSM)，其运行原理与RHSM相同，但永磁体全部放置于定子上，转子结构更为简单、转子机械强度更高、转矩及功率密度更大、永磁体散热更容易、设计分析计算更为方便 。为合理评估两种结构混合式步进电机的性能，本文从永磁气隙磁密、最佳铁心迭长、永磁转矩、定位转矩及转矩脉动、永磁磁链及空载反电动势、永磁体漏磁及利用率、定子轭部磁通密度等方面对两种电机进行了综合分析比较，为新型SHSM的进一步推广应用奠定了一定理论基础。　　

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论文重点内容

　　（1）SHSM结构及运行原理

　　图1为2相8极50齿结构SHSM 。SHSM的永磁体全部放置于定子轭部，转子只有一段、结构简单，转子在磁化作用下一半呈S极极性、一半呈N极极性，并且两半转子所对应的电机部分(V、VI)分别与RHSM的S极转子、N极转子所对应的电机部分运行原理等效。

(a) 结构示意图

(b) 样机实物

图1 2相8极50齿结构SHSM

　　（2）SHSM与RHSM综合比较分析

　　为合理评估SHSM和RHSM的性能，从永磁气隙磁密、最佳铁心迭长、永磁转矩、定位转矩及转矩脉动、永磁磁链及空载反电动势、永磁体漏磁及利用率、定子轭部磁通密度等方面对两者进行了综合比较分析。

　　（3）有限元仿真及样机实验验证

　　图2为样机保持转矩的有限元仿真及实测结果，仿真与实验结果比较接近，验证了理论分析的正确性及SHSM运行原理的实际可行性。

图2 样机保持转矩计算与实测结果比较

　　图3～图6给出了SHSM与RHSM的性能比较分析结果。由图可以看出，在任意定子铁心长度范围内，SHSM具有更高的输出转矩密度；SHSM定位转矩更大且定位转矩波形发生明显畸变，导致转矩脉动增大 ；两种电机的永磁体漏磁系数均随铁心长度增加而减小，主要归因于电机端部漏磁的变化，并且可通过合理设计SHSM的饱和导磁桥厚度，使得其永磁体利用率在任意定子铁心长度范围内高于RHSM ；由于两种电机的磁路结构不同(SHSM为近似二维磁路，RHSM为三维磁路)，导致SHSM的定子铁心轭部最大磁通密度及饱和程度高于RHSM ，这将对SHSM的性能产生一定影响。

图3 两种电机保持转矩密度比较

图4 两种电机定位转矩比较

图5 两种电机永磁体漏磁系数及利用率比较

图6 两种电机A相绕组通电时磁力线分布比较

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结论

　　1）SHSM除了具有转子结构简单、转子机械强度高、永磁体散热容易、设计分析计算容易的结构优势外，其性能优越性主要体现为输出转矩及功率密度更高。

　　2）SHSM相比于RHSM具有更高的定位转矩和转矩脉动，主要是由于其定子轭部放置永磁体导致的永磁磁路不对称造成的，这在一定程度上会降低电机的定位精度，因此SHSM更适用于机电能量转换领域而非高精度定位机构。

　　3）两种电机的永磁体漏磁系数大小与定子铁心长度有关，并且在RHSM的近似最佳定子铁心长度范围内，可通过合理设计饱和导磁桥厚度使得SHSM的永磁体利用率高于RHSM，从而节省永磁体用量。

　　4）通过初步分析得到：相同定子轭部厚度条件下，SHSM的定子轭部最大磁密及饱和程度高于RHSM，这在一定程度上会降低电机的性能，如降低最大输出转矩能力、增加转矩脉动等。对于两种电机定子铁心磁场分布的具体情况以及两者差异造成的对电机性能的影响，有待于借助有限元法进行更加深入的分析和研究。

引文信息

鲁炳林, 徐衍亮, 辛峰. 定子永磁和转子永磁混合式步进电机性能比较研究[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(21):6255-6265.

LU Binglin, XU Yanliang, XIN Feng. Studies of performance comparison between stator-permanent-magnet and rotor-permanent-magnet hybrid stepping motors[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(21): 6255-6265(in Chinese).

作者简介

　　鲁炳林(1988)，男，博士研究生，主要研究方向为永磁电机及特种电机的设计和控制。参与国家863项目1项；发表SCI论文3篇，EI论文3篇；获国家发明专利授权3项，实用新型专利授权3项。

　　徐衍亮(1966)，男，教授，博士生导师。于1989、1994和2001年分别在原山东工业大学和沈阳工业大学获学士、硕士和博士学位。主要研究方向：永磁电机及特种电机的设计及控制、电动汽车驱动系统研究、磁悬浮轴承的设计及控制。目前担任电工技术学会直线电机专业委员会委员。主持国家自然科学基金课题1项；主持国家863子课题2项；主持其他省部级以上课题8项；获国家科技进步二等奖和山东省科技进步三等奖各1项；获国家发明专利授权6项、实用新型专利授权10项；在IEEE Trans.，电工技术学报等期刊及重要国际会议中发表学术论文近百篇，其中主要为SCI、EI、ISTP收录；参与撰写学术专著2部。

　　辛峰(1977)，男，山东省产品质量检验研究院高级工程师。2001年毕业于山东大学电机电器及其控制专业，主要研究方向：电动机产品的检测与设计。目前担任：山东省自行车电动车行业协会秘书处副秘书长；中国质量检验协会“专家委员会专家”；国家质检总局缺陷产品召回“专家委员会专家”；中国能效标识专家委员会委员。参与省部级课题2项；获国家发明专利授权3项、实用新型专利授权4项。

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