三相混合式多細分步進電機驅(qū)動器的設(shè)計方案

　　步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。與交流伺服電機及直流伺服電機相比，其突出優(yōu)點就是價格低廉，并且無積累誤差。但是，步進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(yán)重制約了步進電機的應(yīng)用范圍。相對于其他的驅(qū)動方式，細分驅(qū)動方式不僅可以減小步進電機的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動，使電機運行更加平穩(wěn)均勻。

　　現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機(vr)、永磁式步進電機(pm)、混合式步進電機(hb)和單相式步進電機等。由于三相混合式步進電機比二相步進電機有更好的低速平穩(wěn)性及輸出力矩，所以三相混合式步進電機比二相步進電機有更好應(yīng)用前景。

　　2、細分原理

　　步進電機的細分控制從本質(zhì)上講是通過對步進電機的定子繞組中電流的控制，使步進電機內(nèi)部的合成磁場按某種要求變化，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，各相繞組的合成磁場矢量，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。

　　混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。三相混合式步進電機的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機。其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對轉(zhuǎn)子磁場的影響可忽略不計。在結(jié)構(gòu)上，它相當(dāng)于一種多極對數(shù)的交流永磁同步電機。由于輸入是三相正弦電流，因此產(chǎn)生的空間磁場呈圓形分布，而且可以用永磁式同步電機的結(jié)構(gòu)模型(圖1)分析三相混合式步進電機的轉(zhuǎn)矩特性。

　　a.電機定子三相繞組完全對稱;

　　b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計;

　　c.激磁電流無動態(tài)響應(yīng)過程;

　　圖1 三相永磁同步電機的簡單結(jié)構(gòu)模型

　　U、V、W 為定子上的3 個線圈繞組，3 個線圈繞組的軸線成 120°。電機單相繞組通電的時候，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以表達為：T=f(i,theta) 。其中，i 為繞組中通過的電流;theta為電機轉(zhuǎn)子偏離參考點的角度。

　　即：T=k *I*sin(theta)，k 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)

　　若理想的電流源以恒幅值為I，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(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)運行時，theta=wt，則三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)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(dāng)三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時，由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電機的輸出轉(zhuǎn)矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應(yīng)用到三相混合式步進電機驅(qū)動系統(tǒng)中，輸入的220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)脈寬調(diào)制技術(shù)變?yōu)槿冯A梯式正弦波形電流，它們按固定時序分別流過三路繞組，通過改變驅(qū)動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過的角度，當(dāng)角度越小的時候，其階梯數(shù)就越多。當(dāng)然，步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。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(dǎo)致力矩下降。

　　。

　　圖2 給出相差120°的三相階梯式正弦電流

　　三相混合式步進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(yīng)兩相繞組的實際電流進行采樣，第三相繞組的實際電流可根據(jù)式求得。

　　3、三相混合式步進電機驅(qū)動器的系統(tǒng)構(gòu)成

　　圖3 驅(qū)動器的整體框圖

　　3.1 DSP模塊設(shè)計

　　在這里，我們選擇了TI公司的DSP作為CPU芯片，DSP(Digital Signal Processor)是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。本文選用的DSP(TMS320LF2407A)是一款電機控制專用芯片，144引腳，具有豐富的IO資源，含有四個通用定時器，具有兩路專用于控制三相電機的PWM發(fā)生器，另外還有專用接收外部脈沖和方向的I/O口。

　　DSP輸入信號包括步進脈沖信號CP、方向控制信號、脫機信號，過流保護信號。這幾種信號均通過高速光耦連接到DSP的引腳上，另外還有細分步數(shù)及電流選擇信號。當(dāng)脫機信號為有效時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)(脫機狀態(tài))。反饋電流通過DSP自帶的的10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)采樣，反饋的電流通過一定的算法后，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，其主要用來采樣a，b兩相電流及母線電壓檢測，實現(xiàn)電機電流控制以及過壓、欠壓、過流保護。驅(qū)動器通過采樣電阻檢測步進電機繞組的實際電流，與設(shè)定電流相比較后經(jīng)過滯環(huán)比較器調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出信號由20KHz 頻率的三角波載波輸出，形成脈寬調(diào)制信號(PWM)，通過功率驅(qū)動接口電路來控制大功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，使步進電機的繞組實際電流跟蹤給定參考信號，按給定的正弦規(guī)律變化。

　　3.3 功率驅(qū)動電路

　　整流濾波電路構(gòu)成直流電壓源，完成220V、50Hz 交流電源到直流電源的變換。逆變器實現(xiàn)從直流電到變頻變壓交流電的轉(zhuǎn)換，為三相混合式步進電機的定子繞組提供要求的交流電流。逆變器由六只G30N60B3DMOS管組成，構(gòu)成三相逆變橋。

　　功率驅(qū)動電路的核心是功率模塊(MOS管)。MOS管與電流追蹤型PWM 輸出之間必須通過專用高速光耦連接。根據(jù)MOS管的過流值和電機峰值線電流來選用合適的MOS管。本設(shè)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，線電流是相電流的3 倍，所以線電流峰值為19.6A。由G30N60B3DPDF文檔知，其最大流值為30A，但是正常工作要求適當(dāng)?shù)纳嵩O(shè)計保證內(nèi)部結(jié)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

　　為了避免在控制過程中停電或者其它特別原因掉電時造成損失，使用帶電RAM存儲電機位置，保證來電后工件可繼續(xù)完成加工。并口RAM比傳統(tǒng)使用的E2ROM速度傳輸更快更可靠，可更有效的記錄電機運行狀態(tài)。

　　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

　　4、 結(jié)論

　　實驗證明了文中提到的驅(qū)動方法有著很強的適應(yīng)性，可以適應(yīng)大多數(shù)的三相混合式不進機。特別對三相繞組星形接法，低頻時運行平穩(wěn)，無振蕩，有效地抑制了振蕩、噪聲。而且在驅(qū)動里里面還設(shè)計有多種保護驅(qū)動的電路，讓整個驅(qū)動在安全的環(huán)境下工作，這樣可以使驅(qū)動的功能發(fā)揮到極限，可靠性有了很大的提高。