三相混合式多细分步进电机驱动器的设计方案

  1、前言

    步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。

　　现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（vr）、永磁式步进电机（pm）、混合式步进电机（hb）和单相式步进电机等。由于三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，所以三相混合式步进电机比二相步进电机有更好应用前景。

　　2、细分原理

　　步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。

　　混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电机。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模型（图1）分析三相混合式步进电机的转矩特性。

　　a.电机定子三相绕组完全对称；

　　b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计；

    c.激磁电流无动态响应过程；

　　
图1 三相永磁同步电机的简单结构模型

　　U、V、W 为定子上的3 个线圈绕组，3 个线圈绕组的轴线成 120°。电机单相绕组通电的时候，稳态转矩可以表达为：T=f（i,theta） 。其中，i 为绕组中通过的电流；theta为电机转子偏离参考点的角度。

　　即：T=k *I*sin（theta），k 为转矩常数

　　若理想的电流源以恒幅值为I，即：

　　iU=I*sin（wt）

　　iV=I*sin（wt+2*PI/3）

　　iW =I*sin（wt+4*PI/3）

　　则电机各相电流产生的稳态转矩为：

　　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）

　　稳态运行时，theta=wt，则三相绕组产生的合成转矩为：

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

　　以上分析表明，对于三相永磁同步电机，当三相绕组输入相差 120°的正弦电流时，由于在内部产生圆形旋转磁场，电机的输出转矩为恒值。因此，将交流伺服控制原理应用到三相混合式步进电机驱动系统中，输入的220V 交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，其阶梯数就越多。当然，步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

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图2 给出相差120°的三相阶梯式正弦电流

　　三相混合式步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，按照电路基本定理，三相电流之和为零。即IU+IV+IW =0 。所以通常只需产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可由其它两相求得。同样，只需要对相应两相绕组的实际电流进行采样，第三相绕组的实际电流可根据式求得。

　　3、三相混合式步进电机驱动器的系统构成

 

图3 驱动器的整体框图

　

  　3.1 DSP模块设计

　　在这里，我们选择了TI公司的DSP作为CPU芯片，DSP（Digital Signal Processor）是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。本文选用的DSP（TMS320LF2407A）是一款电机控制专用芯片，144引脚，具有丰富的IO资源，含有四个通用定时器，具有两路专用于控制三相电机的PWM发生器，另外还有专用接收外部脉冲和方向的I/O口。

　　DSP输入信号包括步进脉冲信号CP、方向控制信号、脱机信号， 过流保护信号。这几种信号均通过高速光耦连接到DSP的引脚上，另外还有细分步数及电流选择信号。当脱机信号为有效时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。反馈电流通过DSP自带的的10 位模数转换器（AD）采样，反馈的电流通过一定的算法后，由DSP自带的PWM口输出控制电机。

　　3.2 电流追踪型回路

　　这种传输方式以模拟电压的幅值代表采样电流或者电压的大小，其主要用来采样a，b两相电流及母线电压检测，实现电机电流控制以及过压、欠压、过流保护。驱动器通过采样电阻检测步进电机绕组的实际电流，与设定电流相比较后经过滞环比较器调节器，调节器输出信号由20KHz 频率的三角波载波输出，形成脉宽调制信号（PWM），通过功率驱动接口电路来控制大功率半导体器件的导通与关断，使步进电机的绕组实际电流跟踪给定参考信号，按给定的正弦规律变化。

　　3.3 功率驱动电路

　　整流滤波电路构成直流电压源，完成220V、50Hz 交流电源到直流电源的变换。逆变器实现从直流电到变频变压交流电的转换，为三相混合式步进电机的定子绕组提供要求的交流电流。逆变器由六只G30N60B3DMOS管组成，构成三相逆变桥。

　　功率驱动电路的是功率模块（MOS管）。MOS管与电流追踪型PWM 输出之间必须通过专用高速光耦连接。根据MOS管的过流值和电机峰值线电流来选用合适的MOS管。本设计中电机相电流为8.1A，该电流是相电流的有效值，峰值相电流为8.1* sqrt（2） = 11.312A 。此外，电机绕组在三角形接法时，线电流是相电流的3 倍，所以线电流峰值为19.6A。由G30N60B3DPDF文档知，其流值为30A，但是正常工作要求适当的散热设计保证内部结温永远小于150摄氏度，因此要外加散热器并强制风冷，以保证MOS管正常工作。

　　3.4 并口通讯

　　为了避免在控制过程中停电或者其它特别原因掉电时造成损失，使用带电RAM存储电机位置，保证来电后工件可继续完成加工。并口RAM比传统使用的E2ROM速度传输更快更可靠，可更有效的记录电机运行状态。

    3.5 控制软件流程

图4 主程序流程图

图5 中断部分的流程图

　

  　4、 结论

　　实验证明了文中提到的驱动方法有着很强的适应性，可以适应大多数的三相混合式不进机。特别对三相绕组星形接法，低频时运行平稳，无振荡，有效地抑制了振荡、噪声。而且在驱动里里面还设计有多种保护驱动的电路，让整个驱动在安全的环境下工作，这样可以使驱动的功能发挥到极限，可靠性有了很大的提高。