开关磁阻电动机微步位置伺服控制系统的研究
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摘要
随着电力电子技术、微处理器技术和电动机技术的发展，满足增量运动的
电动机传动系统不断出现，运用步进传动理论对这些电动机的传动性能进行分
析将导出新的增量运动控制系统。
本文把开关磁阻电动机推广到增量运动控制中，以交流步进传动理论为依
据，根据开关磁阻电动机自身特点，对开关磁阻电动机位置伺服系统进行理论、
仿真和实验分析，并对开关磁阻电动机位置伺服系统进行了硬件设计和软件设
计。同时，考虑到开关磁阻电动机在低速下转矩脉动现象非常严重，本文提出
了微步控制方法，即通过控制开关磁阻电动机各相绕组电流波形，在定子绕组
的机械平衡点之间产生电的平衡点。这既有效的抑制转矩脉动，也大大提高了
位置控制精度。
利用开关磁阻电动机微步位置伺服控制思想，针对工业过程控制中广泛使
用的电动执行机构的现状和不足，本文设计出一种新型的开关磁阻电动执行机
构，理论分析研究表明，该执行器不仅结构简单、运行可靠、性能价格比高，
而且静态性能和动态性能都大为改善，具有广阔的应用前景。
With the development of technique of power electronic,microprocessor and motor,
motor drive systems which are satisfied with incremental motion appear incessantly.
Analyzing these motor drives with step motion theory will yield new incremental
motion control systems.
In this paper Switched Reluctance Motor (SRM) is extended to incremental
motion control. Based on the alternative step motion theory and the characteristics of
SRM, a new kind of SRM for position servo system is proposed. Detailed theoretical
and simulating analyses are also presented. At the same time, the software and
hardware of SRM position servo system are designed.
The paper principally alms at the weakness which SRM produces excessive
vibration and torque ripple in low speed area. Then a novel micro-step control
strategy is presented. This method can not only reduce the torque ripple of SRM but
also increase position control precision.
According to position servo control of SRM, a new kind of SRM electrical
actuator is developed successfully. Theoretical analysis results have shown that the
new electrical actuator has simple structure and excellent performance.
电动机传动系统不断出现，运用步进传动理论对这些电动机的传动性能进行分
析将导出新的增量运动控制系统。
本文把开关磁阻电动机推广到增量运动控制中，以交流步进传动理论为依
据，根据开关磁阻电动机自身特点，对开关磁阻电动机位置伺服系统进行理论、
仿真和实验分析，并对开关磁阻电动机位置伺服系统进行了硬件设计和软件设
计。同时，考虑到开关磁阻电动机在低速下转矩脉动现象非常严重，本文提出
了微步控制方法，即通过控制开关磁阻电动机各相绕组电流波形，在定子绕组
的机械平衡点之间产生电的平衡点。这既有效的抑制转矩脉动，也大大提高了
位置控制精度。
利用开关磁阻电动机微步位置伺服控制思想，针对工业过程控制中广泛使
用的电动执行机构的现状和不足，本文设计出一种新型的开关磁阻电动执行机
构，理论分析研究表明，该执行器不仅结构简单、运行可靠、性能价格比高，
而且静态性能和动态性能都大为改善，具有广阔的应用前景。
With the development of technique of power electronic,microprocessor and motor,
motor drive systems which are satisfied with incremental motion appear incessantly.
Analyzing these motor drives with step motion theory will yield new incremental
motion control systems.
In this paper Switched Reluctance Motor (SRM) is extended to incremental
motion control. Based on the alternative step motion theory and the characteristics of
SRM, a new kind of SRM for position servo system is proposed. Detailed theoretical
and simulating analyses are also presented. At the same time, the software and
hardware of SRM position servo system are designed.
The paper principally alms at the weakness which SRM produces excessive
vibration and torque ripple in low speed area. Then a novel micro-step control
strategy is presented. This method can not only reduce the torque ripple of SRM but
also increase position control precision.
According to position servo control of SRM, a new kind of SRM electrical
actuator is developed successfully. Theoretical analysis results have shown that the
new electrical actuator has simple structure and excellent performance.
引文
[1] 陈伯时．电力电子器件和变流器是现代电机控制发展的先锋．电机与控制学报，1997， (3) ：146-149
[2] 孙鹤旭著．交流步进传动系统．北京：机械工业出版社，1996
[3] 李志民，张遇杰编著．同步电动机调速系统．北京：机械工业出版社，1996
[4] [美]郭宗仪B．C著．步进电动机及其控制系统．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1984
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[6] 谢宝昌编译．磁阻电动机驱动系统的发展趋势．中小型电机，1998，25(2) ：49-51
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[8] 黄建中等．减小开关磁阻电动机转矩脉动的控制策略研究．微特电机，1996，(6) ：6-9
[9] 吴建华等．开关磁阻电动机转矩波动的计算和测量．中小型电机，1997，
[10] Bin-Yen Ma et al. Modeling and torque pulsation reduction for a SRM drive system. IEEE IAS, 1996, 72-77
[11] H.Cailleux et al. Comparison of control strategies to minimize the torque ripple of a SRM. Electric Machines and Power Systems, 1997, VOL.25: 1103-1118
[12] 樊小明等．新型开关磁阻位置伺服电机系统．微特电机，1996，(6) ：23-24
[13] 钟仁人．步进角任意细分的步进电动机电流波形的讨论．微特电机，1996，(3) ：22-25
[14] 胡慕伊．电动执行器直接数字控制．自动化与仪器仪表，1998，(3) ：44-46
[15] 李淑娟等．微机型比例式角行程电动执行机构．工业仪表与自动化装置1995(1) ：22-24
[16] 王东兴等．一种新型电动执行器控制器．自动化仪表，1998,19(4) ：21-22,
[17] 陈荣主编 模拟调节仪表．北京：化学工业出版社，1992
[18] R.J.Blake. Actuator and position servo applications of SRD, PCIM'91,25-27． June 1991． 119-30
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[20] 李忠杰，宁守信编著．步进电动机应用技术．北京：机械工业出版社，1988
[21] 刘宝延，程树康编著．步进电动机及其驱动控制系统．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版 社，1997
[22] 姚立真主编．通用电路模拟技术及软件应用SPICE和PSpice．北京：电子工业出版社， 1994
[23] 孙鹤旭，迟岩编著．电力电子系统计算机仿真和辅助分析．哈尔滨：哈尔滨工程大学 出版社，1994
[24] 邓新华等．8098单片机控制的开关磁阻电动机驱动系统．电气传动，1997，(5) ：17-19
[25] 金玉辉．开关磁阻电动机的电压型PWM控制方式．CAVD’96 523-527
[26] 徐国卿，陈永校．开关磁阻电动机驱动系统电流波形及其对系统性能的影响．微特电 机，1995，(6) ：2-5
[27] 高超等．开关磁阻电动机系统低速运行的性能与控制方式．电气传动，1991，(3) ：9-12
[28] 王宏华．开关磁阻电动机开关器件的电流定额．中小型电机，1996
[29] 刘剑等．利用Pspice仿真研究开关磁阻电动机驱动系统主电路．见：中国控制与决策
学术年会论文集．沈阳，1996． 984-987
[30] 余永权等编著．单片机应用系统的功率接口技术．北京：北京航空航天大学出版社， 1992
[31] A.A. Arkadan, B.W. Kielgas, SRM drive systems dynamic performance prediction and experimental verication. IEEE Trans on Energy Conversion, 1994, vol.9, No.1: 36-43
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[33] Mehdi Moallem et al. Predicting the Steady-State performance of a SRM. IEEE trans on IA, 11/12 1991, VOL.28, No.6
[34] Nobuyuki Matsui et al. High-precision torque control of reluctance motors. IEEE trans on IA, 9/10 1991, VOL.27, NO.5: 902-907
[35] B. K. Bose et al. Microcomputer control of SRM. IEEE trans on IA, 7/8 1986, VOL 22,No.4
[36] Giovanni Franceschini et al. Spice-Assisted simulation of controlled electric drives: An application to SRM. IEEE trans on IA, 11/12 1994, VOL 27,No.6: 1103-1110
[37] J.Mahdavi et al. Dynamic modeling of non-linear SRD with Pspice. IEEE IAS, 1997 , 661-667
[38] M.F.Rahman. Design issues of microstepping controllers for variable reluctance stepping motors. ICEMA'96, Harbin,China,555-558
[39] Andrew, P The Stepping Motor as a machine-tool actuator Electronics and Power Feb 1972 62-63
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