三相混合式多細分步進(jìn)電機驅動(dòng)器的設計

　　步進(jìn)電機是一種開(kāi)環(huán)伺服運動(dòng)系統執行元件，以脈沖方式進(jìn)行控制，輸出角位移。與交流伺服電機及直流伺服電機相比，其突出優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格低廉，并且無(wú)積累誤差。但是，步進(jìn)電機運行存在許多不足之處，如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高等，又嚴重制約了步進(jìn)電機的應用范圍。步進(jìn)電機的運行性能與它的驅動(dòng)器有密切的聯(lián)系，可以通過(guò)驅動(dòng)技術(shù)的改進(jìn)來(lái)克服步進(jìn)電機的缺點(diǎn)。相對于其他的驅動(dòng)方式，細分驅動(dòng)方式不僅可以減小步進(jìn)電機的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動(dòng)，使電機運行更加平穩均勻?？傮w來(lái)說(shuō)，細分驅動(dòng)的控制效果最好。因為常用低端步進(jìn)電機伺服系統沒(méi)有編碼器反饋，所以隨著(zhù)電機速度的升高其內部控制電流相應減小，從而造成丟步現象。所以在速度和精度要求不高的領(lǐng)域，其應用非常廣泛。

　　因為三相混合式步進(jìn)電機比二相步進(jìn)電機有更好的低速平穩性及輸出力矩，所以三相混合式步進(jìn)電機比二相步進(jìn)電機有更好應用前景。傳統的三相混合式步進(jìn)電機

2、細分原理

　　步進(jìn)電機的細分控制從本質(zhì)上講是通過(guò)對步進(jìn)電機的定子繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機內部的合成磁場(chǎng)按某種要求變化，從而實(shí)現步進(jìn)電機步距角的細分。最佳的細分方式是恒轉矩等步距角的細分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機內產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉磁場(chǎng)，各相繞組的合成磁場(chǎng)矢量，即各相繞組電流的合成矢量應在空間作幅值恒定的旋轉運動(dòng)，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。

　　三相混合式步進(jìn)電機的工作原理十分類(lèi)似于交流永磁同步伺服電機。其轉子上所用永磁磁鐵同樣是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在轉子上產(chǎn)生的感應電流對轉子磁場(chǎng)的影響可忽略不計。在結構上，它相當于一種多極對數的交流永磁同步電機。由于輸入是三相正弦電流，因此產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)呈圓形分布，而且可以用永磁式同步電機的結構模型(圖1)分析三相混合式步進(jìn)電機的轉矩特性。為便于分析，可做如下假設：

　　a.電機定子三相繞組完全對稱(chēng)；
　　b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計；
　　c.激磁電流無(wú)動(dòng)態(tài)響應過(guò)程。

圖1 三相永磁同步電機的簡(jiǎn)單結構模型

　　U、V、W 為定子上的3 個(gè)線(xiàn)圈繞組，3 個(gè)線(xiàn)圈繞組的軸線(xiàn)成 120°。電機單相繞組通電的時(shí)候，穩態(tài)轉矩可以表達為：T=f(i,theta) 。其中，i 為繞組中通過(guò)的電流；theta為電機轉子偏離參考點(diǎn)的角度。由于磁飽和效應可以忽略不計，并且轉子結構是圓形，其矩角特性為嚴格的正弦，

　　即：T=k *I*sin（theta），k 為轉矩常數

　　若理想的電流源以恒幅值為I 的三相平衡電流iU、iV、iW 供給電機繞組，即：

　　iU=I*sin(wt)
　　iV=I*sin(wt+2*PI/3)
　　iW =I*sin(wt+4*PI/3)

　　則電機各相電流產(chǎn)生的穩態(tài)轉矩為：

　　TU=k*I*sin(wt)*sin(theta)
　　TV=k*I*sin(wt+2*PI/3)*sin(theta+2*PI/3)
　　TW=k*I*sin(wt+4*PI/3)*sin(theta+4*PI/3)

　　穩態(tài)運行時(shí)，theta=wt，則三相繞組產(chǎn)生的合成轉矩為：

　　T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin(PI/2-wt+theta)=3/2*k*I

　　以上分析表明，對于三相永磁同步電機，當三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時(shí)，由于在內部產(chǎn)生圓形旋轉磁場(chǎng)，電機的輸出轉矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應用到三相混合式步進(jìn)電機驅動(dòng)系統中，輸入的220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷?，再?jīng)脈寬調制技術(shù)變?yōu)槿冯A梯式正弦波形電流，它們按固定時(shí)序分別流過(guò)三路繞組，其每個(gè)階梯對應電機轉動(dòng)一步。通過(guò)改變驅動(dòng)器輸出正弦電流的頻率來(lái)改變電機轉速，而輸出的階梯數確定了每步轉過(guò)的角度，當角度越小的時(shí)候，那么其階梯數就越多，即細分就越大，從理論上說(shuō)此角度可以設得足夠的小，所以細分數可以是很大，而交流伺服控制的每步角度與反饋的編碼器的精度有很大的關(guān)系，一般使用的為2500線(xiàn)，所以每一步轉過(guò)的角度僅為0.144度，而此方法控制的步進(jìn)電機，比如其細分數為10000，則每一步轉過(guò)的角度為0.036度，所以比一般的伺服控制精度高很多。當然，步進(jìn)電機轉動(dòng)時(shí)，電機各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢，頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降，通過(guò)恒流方式可以使在電機低頻和高頻時(shí)保持同樣的相電流從而

圖2 給出相差120°的三相階梯式正弦電流

　　三相混合式步進(jìn)電機一般把三相繞組連接成星形或者三角形，按照電路基本定理，三相電流之和為零。即IU+IV+IW =0 。所以通常只需產(chǎn)生兩相繞組的給定信號，第三相繞組的給定信號可由其它兩相求得。同樣，只需要對相應兩相繞組的實(shí)際電流進(jìn)行采樣，第三相繞組的實(shí)際電流可根據式求得。

3、三相混合式步進(jìn)電機驅動(dòng)器的系統構成

　　驅動(dòng)器的總體方案如圖3 所示，主要包括單片機電路、電流追蹤型SPWM 電路和功率驅動(dòng)電路組成。

圖3 驅動(dòng)器的整體框圖

3.1 DSP模塊設計

　　在這里，我們選擇了TI公司的DSP作為CPU芯片，DSP（Digital Signal Processor）實(shí)際上也是一種單片機，它同樣是將中央處理單元、控控制單元和外圍設備集成到一塊芯片上。但它又有自身鮮明的特點(diǎn)——因為采用了多組總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現并行運行的機機制，從而大大提高了運算速度，具有更強的運算能力和更好的實(shí)時(shí)性。本文選用的DSP（TMS320LF2407A）是一款電機控制專(zhuān)用芯片，144引腳，具有豐富的IO資源，含有四個(gè)通用定時(shí)器，具有兩路專(zhuān)用于控制三相電機的PWM發(fā)生器（可產(chǎn)生六路PWM信號），另外還有專(zhuān)用接收外部脈沖和方向的I/O口，從而簡(jiǎn)化了電路設計和程序開(kāi)發(fā)。

　　DSP輸入信號包括步進(jìn)脈沖信號CP、方向控制信號、脫機信號， 過(guò)流保護信號。這幾種信號均通過(guò)高速光耦連接到DSP的引腳上，另外還有細分步數及電流選擇信號。當脫機信號為有效時(shí)，驅動(dòng)器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。反饋電流通過(guò)DSP自帶的的10 位模數轉換器（AD）采樣，反饋的電流通過(guò)一定的算法后，由DSP自帶的PWM口輸出控制電機。 3.2 電流追蹤型回路

　　這種傳輸方式以模擬電壓的幅值代表采樣電流或者電壓的大小，其主要用來(lái)采樣a，b兩相電流及母線(xiàn)電壓檢測，實(shí)現電機電流控制以及過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護。驅動(dòng)器通過(guò)采樣電阻檢測步進(jìn)電機繞組的實(shí)際電流，與設定電流相比較后經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較器調節器，調節器輸出信號由20KHz 頻率的三角波載波輸出，形成脈寬調制信號(PWM)，通過(guò)功率驅動(dòng)接口電路來(lái)控制大功率半導體器件的導通與關(guān)斷，使步進(jìn)電機的繞組實(shí)際電流跟蹤給定參考信號，按給定的正弦規律變化。

3.3 功率驅動(dòng)電路

　　驅動(dòng)器的主回路采用交-直-交電壓型逆變器形式，由整流濾波電路、三相逆變器以及步進(jìn)電機等組成。整流濾波電路構成直流電壓源，完成220V、50Hz 交流電源到直流電源的變換。逆變器實(shí)現從直流電到變頻變壓交流電的轉換，為三相混合式步進(jìn)電機的定子繞組提供要求的交流電流。逆變器由仙童公司生產(chǎn)的六只G30N60B3DMOS管組成，構成三相逆變橋。驅動(dòng)器采用兩只電阻檢測步進(jìn)電機相電流的瞬時(shí)值。

　　功率驅動(dòng)電路的核心是功率模塊(MOS管)。MOS管 與電流追蹤型PWM 輸出之間必須通過(guò)專(zhuān)用高速光耦連接。根據MOS管的過(guò)流值和電機峰值線(xiàn)電流來(lái)選用合適的MOS管，即電機的線(xiàn)電流的峰值小于MOS管的最大電流值。本設計中電機最大相電流為8.1A，該電流是相電流的有效值，峰值相電流為8.1* sqrt(2) = 11.312A 。此外，電機繞組在三角形接法時(shí)，線(xiàn)電流是相電流的3 倍，所以線(xiàn)電流峰值為19.6A。由G30N60B3DPDF文檔知，其最大流值為30A,故可以保證正常使用，正常工作要求適當的散熱設計保證內部結溫永遠小于150攝氏度，因此要外加散熱器并強制風(fēng)冷，以保證MOS管正常工作。

3.4 并口通訊

　　為了避免在控制過(guò)程中停電或者其它特別原因掉電時(shí)造成損失，使用帶電RAM存儲電機位置，保證來(lái)電后工件可繼續完成加工。并

3.5 控制軟件流程

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷部分的流程圖

　　為減少功耗和保護電機，設置了自動(dòng)半流功能，它由滯環(huán)比較器自動(dòng)進(jìn)行調節。

4、 結論

　　實(shí)踐證明本文所講的驅動(dòng)方法其適應性很強，基本上可以適應所有的三相混合式步進(jìn)電機。特別對三相繞組星形接法，低頻時(shí)運行平穩，無(wú)振蕩，有效地抑制了振蕩、噪聲。另外，驅動(dòng)器內部設計多種保護電路，使整個(gè)驅動(dòng)器的可靠性大大提高。