三相混合式多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案

　　步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。與交流伺服電機(jī)及直流伺服電機(jī)相比，其突出優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格低廉，并且無積累誤差。但是，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。相對(duì)于其他的驅(qū)動(dòng)方式，細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式不僅可以減小步進(jìn)電機(jī)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(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻。

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

　　2、細(xì)分原理

　　步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的定子繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場按某種要求變化，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了電機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機(jī)。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(duì)轉(zhuǎn)子磁場的影響可忽略不計(jì)。在結(jié)構(gòu)上，它相當(dāng)于一種多極對(duì)數(shù)的交流永磁同步電機(jī)。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(jī)的結(jié)構(gòu)模型(圖1)分析三相混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。

　　a.電機(jī)定子三相繞組完全對(duì)稱;

　　b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì);

　　c.激磁電流無動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程;

　　圖1 三相永磁同步電機(jī)的簡單結(jié)構(gòu)模型

　　U、V、W 為定子上的3 個(gè)線圈繞組，3 個(gè)線圈繞組的軸線成 120°。電機(jī)單相繞組通電的時(shí)候，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為：T=f(i,theta) 。其中，i 為繞組中通過的電流;theta為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)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(jī)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(yùn)行時(shí)，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(duì)于三相永磁同步電機(jī)，當(dāng)三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時(shí)，由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，輸入的220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷?，再?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(shí)序分別流過三路繞組，通過改變驅(qū)動(dòng)器輸出正弦電流的頻率來改變電機(jī)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(shí)候，其階梯數(shù)就越多。當(dāng)然，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)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(hào)，第三相繞組的給定信號(hào)可由其它兩相求得。同樣，只需要對(duì)相應(yīng)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(jù)式求得。

　　3、三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)構(gòu)成

　　圖3 驅(qū)動(dòng)器的整體框圖

　　3.1 DSP模塊設(shè)計(jì)

　　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(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。本文選用的DSP(TMS320LF2407A)是一款電機(jī)控制專用芯片，144引腳，具有豐富的IO資源，含有四個(gè)通用定時(shí)器，具有兩路專用于控制三相電機(jī)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(hào)包括步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向控制信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)，過流保護(hù)信號(hào)。這幾種信號(hào)均通過高速光耦連接到DSP的引腳上，另外還有細(xì)分步數(shù)及電流選擇信號(hào)。當(dāng)脫機(jī)信號(hào)為有效時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)(脫機(jī)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(jī)。

　　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(shí)現(xiàn)電機(jī)電流控制以及過壓、欠壓、過流保護(hù)。驅(qū)動(dòng)器通過采樣電阻檢測步進(jìn)電機(jī)繞組的實(shí)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(hào)由20KHz 頻率的三角波載波輸出，形成脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)，通過功率驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)的繞組實(shí)際電流跟蹤給定參考信號(hào)，按給定的正弦規(guī)律變化。

　　3.3 功率驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jìn)電機(jī)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(dòng)電路的核心是功率模塊(MOS管)。MOS管與電流追蹤型PWM 輸出之間必須通過專用高速光耦連接。根據(jù)MOS管的過流值和電機(jī)峰值線電流來選用合適的MOS管。本設(shè)計(jì)中電機(jī)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(jī)繞組在三角形接法時(shí)，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(jì)保證內(nèi)部結(jié)溫永遠(yuǎn)小于150攝氏度，因此要外加散熱器并強(qiáng)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(shí)造成損失，使用帶電RAM存儲(chǔ)電機(jī)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(jī)運(yùn)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(shí)驗(yàn)證明了文中提到的驅(qū)動(dòng)方法有著很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以適應(yīng)大多數(shù)的三相混合式不進(jìn)機(jī)。特別對(duì)三相繞組星形接法，低頻時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，無振蕩，有效地抑制了振蕩、噪聲。而且在驅(qū)動(dòng)里里面還設(shè)計(jì)有多種保護(hù)驅(qū)動(dòng)的電路，讓整個(gè)驅(qū)動(dòng)在安全的環(huán)境下工作，這樣可以使驅(qū)動(dòng)的功能發(fā)揮到極限，可靠性有了很大的提高。