三相混合式步進(jìn)電機驅動(dòng)器維修工作原理

根據正弦電流細分驅動(dòng)的原理，設計出三相混合式細分型步進(jìn)電機驅動(dòng)器，系統采用電流跟蹤和脈寬調制技術(shù)，使電機的相電流為相位相差120°的正弦波，功率驅動(dòng)電路采用IPM模塊(BJ-B3C型步進(jìn)驅動(dòng)器)或六只MOS管(BJ-HB3C型步進(jìn)電機驅動(dòng)器)。該驅動(dòng)器解決了傳統步進(jìn)電機低速振動(dòng)大、有共振區、噪音大等缺點(diǎn)，提高了步距角分辨率和驅動(dòng)器的可靠性。

    1、前言

    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hao。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)電機控制方法都是以硬件比較器完成，本文主要講述使用DSP及空間矢量算法SVPWM來(lái)實(shí)現三相混合式步進(jìn)電機控制。

    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*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使高頻的力矩特性有所改善，這只能是在低速時(shí)，所以其綜合性能（高低速噪聲，高速力矩，高速平穩性等）很難趕超交流伺服控制系統。

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。