1坦冠、前言
步進(jìn)電機(jī)是一種開(kāi)環(huán)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件形耗，以脈沖方式進(jìn)行控制，輸出角位移辙浑。與交流伺服電機(jī)及直流伺服電機(jī)相比激涤，其突出優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格低廉，并且無(wú)積累誤差判呕。但是倦踢，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行存在許多不足之處，如低頻振蕩侠草、噪聲大辱挥、分辨率不高等，又嚴(yán)重制約了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍边涕。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與它的驅(qū)動(dòng)器有密切的聯(lián)系晤碘，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的改進(jìn)來(lái)克服步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)。相對(duì)于其他的驅(qū)動(dòng)方式功蜓，細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式不僅可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角园爷，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)均勻沮念∨淞粒總體來(lái)說(shuō)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)的控制效果最好澜碎。因?yàn)槌Ｓ玫投瞬竭M(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)沒(méi)有編碼器反饋增荐，所以隨著電機(jī)速度的升高其內(nèi)部控制電流相應(yīng)減小，從而造成丟步現(xiàn)象嫡境。所以在速度和精度要求不高的領(lǐng)域贯森，其應(yīng)用非常廣泛。
因?yàn)槿嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)比二相步進(jìn)電機(jī)有更好的低速平穩(wěn)性及輸出力矩褒饱，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)用前景沛目。傳統(tǒng)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)
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(xiàn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)控制援儡。
2莲赐、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(guò)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(chǎng)按某種要求變化酿装，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分访递。最佳的細(xì)分方式是恒轉(zhuǎn)矩等步距角的細(xì)分。一般情況下同辣，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小拷姿，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(jī)內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旱函，各相繞組的合成磁場(chǎng)矢量响巢，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(yùn)動(dòng)，這就需要在各相繞相中通以正弦電流棒妨。
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)踪古。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(chǎng)的影響可忽略不計(jì)券腔。在結(jié)構(gòu)上灾炭，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颅眶，因此產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)呈圓形分布蜈出，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。為便于分析涛酗，可做如下假設(shè)：
a.電機(jī)定子三相繞組完全對(duì)稱净处；
b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì)居鸳；
c.激磁電流無(wú)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程婉固。
圖1三相永磁同步電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)模型
U吠童、V、W為定子上的3個(gè)線圈繞組稼乃，3個(gè)線圈繞組的軸線成120°输奢。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)之仍。其中屉韧，i為繞組中通過(guò)的電流；theta為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度楔答。由于磁飽和效應(yīng)可以忽略不計(jì)谆藐，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是圓形，其矩角特性為嚴(yán)格的正弦更假，
即：T=k*I*sin（theta）监灌，k為轉(zhuǎn)矩常數(shù)
若理想的電流源以恒幅值為I的三相平衡電流iU、iV击胜、iW供給電機(jī)繞組亏狰，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偶摔，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
以上分析表明暇唾，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)啰挪，由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為恒值嘲叔。因此亡呵，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交流硫戈，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷髅淌玻俳?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(shí)序分別流過(guò)三路繞組丁逝，其每個(gè)階梯對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步汁胆。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)器輸出正弦電流的頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，而輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度霜幼，當(dāng)角度越小的時(shí)候撰类，那么其階梯數(shù)就越多，即細(xì)分就越大庵伙，從理論上說(shuō)此角度可以設(shè)得足夠的小拼建，所以細(xì)分?jǐn)?shù)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)系枪笆，一般使用的為2500線辜尝，所以每一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度僅為0.144度毫蚁，而此方法控制的步進(jìn)電機(jī)，比如其細(xì)分?jǐn)?shù)為10000雳址，則每一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度為0.036度析深，所以比一般的伺服控制精度高很多。當(dāng)然敌痘，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)咨锐，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，頻率越高蔗括，反向電動(dòng)勢(shì)越大孵堪。在它的作用下，電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小虽风，從而導(dǎo)致力矩下降棒口，通過(guò)恒流方式可以使在電機(jī)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)辜膝，所以其綜合性能（高低速噪聲无牵，高速力矩，高速平穩(wěn)性等）很難趕超交流伺服控制系統(tǒng)厂抖。
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茎毁，按照電路基本定理，三相電流之和為零忱辅。即IU+IV+IW=0七蜘。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)可由其它兩相求得墙懂。同樣橡卤，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)式求得损搬。
3碧库、三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)構(gòu)成
驅(qū)動(dòng)器的總體方案如圖3所示，主要包括單片機(jī)電路功跑、電流追蹤型SPWM電路和功率驅(qū)動(dòng)電路組成乞哀。
圖3驅(qū)動(dòng)器的整體框圖
3.1DSP模塊設(shè)計(jì)
在這里，我們選擇了TI公司的DSP作為CPU芯片荞谬，DSP（DigitalSignalProcessor）實(shí)際上也是一種單片機(jī)趣情，它同樣是將中央處理單元、控控制單元和外圍設(shè)備集成到一塊芯片上字拗。但它又有自身鮮明的特點(diǎn)——因?yàn)椴捎昧硕嘟M總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行的機(jī)機(jī)制纠沉，從而大大提高了運(yùn)算速度，具有更強(qiáng)的運(yùn)算能力和更好的實(shí)時(shí)性蜂棒。本文選用的DSP（TMS320LF2407A）是一款電機(jī)控制專用芯片岔雾，144引腳底盅，具有豐富的IO資源，含有四
個(gè)通用定時(shí)器黑乞，具有兩路專用于控制三相電機(jī)的PWM發(fā)生器（可產(chǎn)生六路PWM信號(hào)）揉贡，另外還有專用接收外部脈沖和方向的I/O口，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)拟祖。
DSP輸入信號(hào)包括步進(jìn)脈沖信號(hào)CP拣挪、方向控制信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)俱诸，過(guò)流保護(hù)信號(hào)菠劝。這幾種信號(hào)均通過(guò)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)睁搭。當(dāng)脫機(jī)信號(hào)為有效時(shí)赶诊，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)）园骆。反饋電流通過(guò)DSP自帶的的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）采樣舔痪，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(jī)锌唾。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锄码，其主要用來(lái)采樣a，b兩相電流及母線電壓檢測(cè)晌涕，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流控制以及過(guò)壓滋捶、欠壓、過(guò)流保護(hù)余黎。驅(qū)動(dòng)器通過(guò)采樣電阻檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)繞組的實(shí)際電流弛镣，與設(shè)定電流相比較后經(jīng)過(guò)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烤酌，形成脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)吻霎，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)接口電路來(lái)控制大功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通與關(guān)斷脚自，使步進(jìn)電機(jī)的繞組實(shí)際電流跟蹤給定參考信號(hào)惫康，按給定的正弦規(guī)律變化。
3.3功率驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)器的主回路采用交-直-交電壓型逆變器形式联缝，由整流濾波電路赢瘦、三相逆變器以及步進(jìn)電機(jī)等組成。整流濾波電路構(gòu)成直流電壓源苇葫，完成220V汇泰、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)換堰聪，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柄立。逆變器由仙童公司生產(chǎn)的六只G30N60B3DMOS管組成承跟，構(gòu)成三相逆變橋。驅(qū)動(dòng)器采用兩只電阻檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)相電流的瞬時(shí)值绊寻。
功率驅(qū)動(dòng)電路的核心是功率模塊(MOS管)花墩。MOS管與電流追蹤型PWM輸出之間必須通過(guò)專用高速光耦連接。根據(jù)MOS管的過(guò)流值和電機(jī)峰值線電流來(lái)選用合適的MOS管澄步，即電機(jī)的線電流的峰值小于MOS管的最大電流值冰蘑。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村缸，峰值相電流為8.1*sqrt(2)=11.312A祠肥。此外，電機(jī)繞組在三角形接法時(shí)梯皿，線電流是相電流的3倍仇箱，所以線電流峰值為19.6A。由G30N60B3DPDF文檔知索烹，其最大流值為30A,故可以保證正常使用工碾，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)冷百姓，以保證MOS管正常工作渊额。
3.4并口通訊
為了避免在控制過(guò)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)位置垒拢，保證來(lái)電后工件可繼續(xù)完成加工驶滚。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)北拔，但占用CPU的I/O口較多换秧，這里CPU有足夠的資源可以使用。
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
為減少功耗和保護(hù)電機(jī)以搏，設(shè)置了自動(dòng)半流功能辫航，它由滯環(huán)比較器自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4钉拯、結(jié)論
實(shí)踐證明本文所講的驅(qū)動(dòng)方法其適應(yīng)性很強(qiáng)漓惕，基本上可以適應(yīng)所有的三相混合式步進(jìn)電機(jī)。特別對(duì)三相繞組星形接法决榔，低頻時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)每贮，無(wú)振蕩，有效地抑制了振蕩乡鼻、噪聲榔汤。另外，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路艇挨，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的可靠性大大提高残炮。
