1、三相混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器設(shè)計王勝濤1朱學(xué)忠21南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院,南京2100162南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院,南京2100161Email :wst3769 2Email :sr摘要本文提出了一種基于PIC16F873單片機(jī)的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)SPWM 驅(qū)動系統(tǒng),介紹了采用電流跟蹤型PWM控制方式下,系統(tǒng)幅值可設(shè)定的D /A 轉(zhuǎn)換電路、三角波與正弦波比較控制方式的偏差PWM 發(fā)生電路,使混合式步進(jìn)電機(jī)的各相電流接近正弦波,在電機(jī)內(nèi)形成一個幅值基本不變的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,從而使具有一般伺服電機(jī)的運行性能。關(guān)鍵詞步進(jìn)電動機(jī),正弦波細(xì)分,電流跟蹤型PWM1.引言混合式步進(jìn)電機(jī)具有驅(qū)動電流小

2、、功耗低、轉(zhuǎn)矩體積比大、定位精度和分辨率高等優(yōu)點,因此,步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛。由于步進(jìn)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的限制,轉(zhuǎn)矩輸出波動,低頻易振蕩,這些缺陷都嚴(yán)重地影響了步進(jìn)電機(jī)在性能要求較高的控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用SPWM 驅(qū)動技術(shù)可以大大地改善步進(jìn)電機(jī)的運行品質(zhì),減少轉(zhuǎn)矩波動,抑制振蕩,降低噪音,提高步距分辨率。本文給出了三相步進(jìn)電動機(jī)正弦波細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的實現(xiàn)。2.正弦波細(xì)分原理步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制的實質(zhì)是在步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流切換時,代替原來的繞組電流直接通斷的方法,采用只切換繞組電流的一部分,使對應(yīng)切換相繞組中的電流階梯地上升到額定值或下降到零,從而產(chǎn)生一系列的假想的磁極對(即新的穩(wěn)定平衡

3、點,使轉(zhuǎn)子對應(yīng)的每步運動只為原來的一部分,從而獲得從零到最大相電流的多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài);相應(yīng)的磁場矢量也就存在多個中間狀態(tài),這樣合成磁場也將有多個穩(wěn)定的中間狀態(tài),轉(zhuǎn)子就沿著這些中間狀態(tài)以微步距轉(zhuǎn)動。合成磁場矢量的幅值決定了轉(zhuǎn)矩的大小,相鄰2條合成磁場矢量的夾角決定了微步距的大小1。步進(jìn)電機(jī)在高度細(xì)分運行時需要在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,各相繞組的合成磁勢矢量,即各相繞組電流的合成矢量應(yīng)在空間作幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運動,這就需要在各相繞組中通以正弦電流。三相混合式步進(jìn)電機(jī)的三相繞組A 、B 與C 在空間位置上相差120度,給三相繞組分別通以相位相差120度而幅值相同的正弦波電流,如式(1、

4、(2和(3所示,則合成的電流矢量在空間做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運動。(1cos a m i I a=(22c o s (3b m i I a =(34c o s(3c mi I a =合成電流矢量為(以為參考:a i (432jam a b c I I I I I e =+=可見當(dāng)各相繞組通以正弦電流時,電流矢量可實現(xiàn)幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運動,因此采用正弦波細(xì)分驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩微步運行4。3.系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)主要有細(xì)分正弦波產(chǎn)生環(huán)節(jié)、PWM 產(chǎn)生電路、功率驅(qū)動、逆變橋等模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1。系統(tǒng)中高速單片機(jī)根據(jù)已設(shè)定的細(xì)分?jǐn)?shù)值,由脈沖信號確定輸出當(dāng)前值,經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換,并與實際電流比較,且進(jìn)行

5、誤差放大后再與11kHz 三角波信號比較,產(chǎn)生三相電流跟蹤型PWM 信號,經(jīng)IR2130驅(qū)動三相橋式逆變器。本系統(tǒng)運用脈寬調(diào)制單片開關(guān)集成電源芯片UC3843產(chǎn)生低壓±15V 電源,在較大的電源電壓范圍內(nèi)(AC110V 250V 內(nèi)能獲得一個穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)電源,從而擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。3.1細(xì)分正弦波的產(chǎn)生首先對一個周期的正弦波進(jìn)行N 步細(xì)分,算出正弦值并進(jìn)行二進(jìn)制量化處理,由A 、B 兩相的相位關(guān)系分別確定A 、B 兩相的細(xì)分正弦波量化數(shù)值存入相應(yīng)的存儲空間,單片機(jī)根據(jù)脈沖輸入,查表確定相應(yīng)步進(jìn)的正弦波數(shù)值并輸出,再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到階梯正弦波,即步進(jìn)電機(jī)相電流給定波形2。其中數(shù)模轉(zhuǎn)

6、換由TLC7528進(jìn)行,該芯片有兩路8位分辨率的電壓型輸出D/A 轉(zhuǎn)換,相繼轉(zhuǎn)換輸出A 、B 兩相給定電流和。a I b I 中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會第十一屆學(xué)術(shù)年會 圖1三相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖B 相轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。轉(zhuǎn)換輸出電壓為:(57(7A ref D FUout V F=式中,D A 為單片機(jī)輸出的16進(jìn)制給定電流,根據(jù)正弦變化規(guī)律在00FFH 范圍內(nèi)變化。V ref 為D/A 轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓。3.2誤差計算、放大及PWM 產(chǎn)生本系統(tǒng)采用電流跟蹤型PWM 控制方式。由式(6可知道只需采集兩相電流3,電路圖如圖3所示。(60a b c I I I +=圖中I A 為A 相給定

7、電流信號,I a 為A 相反饋(實際電流信號,差值即誤差信號通過PID 調(diào)節(jié)后與aA a I I I =固定頻率(11kHz 的三角波相比較,產(chǎn)生的PWM 波形控制逆變器相應(yīng)的開關(guān)器件,使實際的輸出電流圍繞4.試驗與結(jié)論本系統(tǒng)成本不高,在應(yīng)用高速單片機(jī)和高細(xì)分技術(shù),且設(shè)計半電流保持功能之后,使三相混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的性能有了明顯的提高,高低頻正反轉(zhuǎn)均能平穩(wěn)運行精確定位,達(dá)到了一般伺服系統(tǒng)的運行性能。正常運行時,檢測的電機(jī)三相電流波形如圖5所示,試驗表明,在低頻、高頻時都具有良好的 運行性能。圖5每轉(zhuǎn)2000步三相相電流波形參考文獻(xiàn)1林波,李興根.混合式步進(jìn)電機(jī)SPWM 微步驅(qū)動技術(shù)的研究J.微電機(jī),2000,33(3.2唐愛民,胡金高.單片機(jī)控制的正弦波細(xì)分三相混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)J.東南大學(xué)學(xué)報,2003,33(