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步进电机在燃气热水器上的应用
点击:189 添加时间:2019-05-31 09:46:24 信息来源:

引言
       随着恒温热水器的普及,实现恒温的方式各样,现探讨一种通过小型步进电机对气量进行调节实现恒温的办法。

1、步进电机的结构及工作原理
       本文介绍的是一种24DC四相感应式步进电机。
       步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
       感应式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
       感应式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行,例如:四相八拍运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式。

2、热水器步进电机的选择
       步进电机有步距角(涉及到相数)、静力矩及电流三大要素组成。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。
2.1 步距角的选择
       电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。根据热水器的阀芯大小与开度的变化确定步距角的大小。
2.2 静力矩的选择
       步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下,静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好,静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。
2.3 电流的选择
       静力矩一样的电机,由于电流参数不同,其运行特性差别很大,可依据矩频特性曲线图,判断电机的电流(参考驱动电源及驱动电压)。
       综上所述选择电机一般应遵循以下步骤:
       负载决定步距角,负载决定静力矩,依据矩频特性曲线图确定电流,最终确定电机的型号。

3、步进电机的驱动
       驱动控制系统
       使用、控制步进电机必须有环形脉冲、功率放大等组成的控制系统,其流程如下:
       脉冲信号〉信号分配〉功率放大〉步进电机〉负载
3.1 脉冲信号的产生
       脉冲信号一般由单片机或CPU产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,如果电机允许,为了方便程序调试也有用0.5的,电机转速越高,占空比则越大。
3.2、信号分配

       感应式步进电机以二、四相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种。四相电机工作方式也有二种,四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-AB。
3.3、功率放大
       功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流。平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
       为尽量提高电机的动态性能,将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。

4、四相步进电机的驱动
4.1 接线图与信号分配                     
4.2 驱动电路
       上图为步进电机驱动电路。其中X、/X、Y和/Y输出如下:
       当单片机输出高电平时,三极管导通,步进电机的线圈有电流流过。反之三极管截止,线圈无电流流过。由线圈产生的感生电压经接在三极管C极上的二极管通过电阻R9释放,从而保护三极管避免击穿。
4.3 驱动波形
       四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。但是八拍工作方式的控制方法比较麻烦,考虑到启动的驱动力等,在启动和技术步进电机时需要做额外的处理,当然其他两种控制有时也需要考虑这些。
5、四相步进电机在热水器上的应用
5.1 结构示意图
5.2 步进电机与阀芯流量特性
       由流量特性曲线可以看出,步数与流量基本成线性变化,因此可以把电机与阀芯当成一个燃气比例阀来进行控制。
5.3 控制说明
       本文中将四相步进电机看做一个燃气输出控制部件,代替现有常规使用的燃气比例阀。热水器系统通过采集出水温度信息,通过PID调节从而控制热水器输出功率,使热水器的出水温度可无级设定,从而达到调控水温、稳定水温的目的。
       本文中使用的步进电机燃气阀,在设计时,必须考虑燃气调节精度问题,不能出现不可设定的温度断点,即系统不能输出客户需求的燃气量,从而达不到出水温度无级调节。
       燃气调节精度:由流量特征曲线可以看出,在有效的流量范围内,步进电机共有600步的调节范围,热水器常规加热区间为5摄氏度到65摄氏度;那么对应每一摄氏度的燃气量步进电机可以有10步的调节区间,完全满足出水温度无极设定,达到稳定水温的目的。
       PID算法为常用的自动控制算法,也是迄今为止最成熟的自动控制算法之一,PID算法共有三个参数,比例参数P,积分参数I和微分参数D, 这三个参数的具体做用如下:
       比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降。
       积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。只要有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
       微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
       PID算法为工业自动控制算法,在热水器系统中为了达到最好的效果,通常会辅助一些其他的算法。例如增加自学习的算法,使PID修正为智能PID算法,或者增加一些模糊算法,修正为模糊PID算法,通过这些辅助的算法,我们可以使热水器的系统响应速度提高,并且能使系统的稳定性增强,从而使用户体验到最舒适的卫浴体验。

6、结论
       通过对G阀阀芯的选用确定负载的大小与转矩,从而确定步进电机的型号,依据出水温度与设定温度的差值通过PID控制调节,使出水温度逼近设定温度。

参考文献:
       [1]、雨宫好文 主编 松井信行 著 《控制用电机入门》 科学出版社 2001.1
       [2]、陈璧理 《步进电动机及其应用》 上海科学技术出版社 1983
       [3]、姜正侯 主编 《燃气工程技术手册》 同济大学出版社

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