本文根據(jù)正弦電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)出三相混合式多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,。系統(tǒng)采用電流跟跟蹤和脈寬調(diào)制技術(shù),，使用電機(jī)的相電流為相位相差120°的正弦波。該驅(qū)動(dòng)器解決了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)大,、有共振區(qū),、噪音大等缺點(diǎn)，提高了步距角分辨率和驅(qū)動(dòng)器的可靠性,。

步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)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(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,、分辨率不高等到，又嚴(yán)重制約了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍,。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與它的驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍,。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，可以通過驅(qū)動(dòng)技術(shù)的改進(jìn)來克服步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn),。相對(duì)于其他的驅(qū)動(dòng)方式,，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，提高分辨庇,，而且還可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角,，提高分辨率，而且還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,?？傮w來說，細(xì)分驅(qū)動(dòng)的控制效果最好,。因?yàn)槌Ｓ玫投瞬竭M(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)沒有編碼器反饋,，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,。所以在速度和精度要求不高的領(lǐng)域,，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,，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,。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來實(shí)現(xiàn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制,。

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(chǎng)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,。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,，合成磁場(chǎng)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(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),，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(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,。

三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理十分類似于永磁同步伺服電機(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(chǎng)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(chǎng)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（見圖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,，可做如下假設(shè)：

·電機(jī)定子三相繞組完全對(duì)稱,；

·磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì),；

·激磁電流無動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,。

U、V,、W為定子上的3個(gè)線圈繞組,，3個(gè)線圈繞組的軸線互差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,，θ)

式中：i為繞組中通過的電流,；

θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。

由于磁飽和效應(yīng)可以忽略不計(jì),，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是圓形,，其矩角特性為嚴(yán)格的正弦，即

T=kIKsin(θ)

式中,，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,、iW供給電機(jī)繞組,，即：

iU=Isin（ωt）

iV =Isin（ωt-2π/3）

iW=Isin（ωt+2π/3）

則電機(jī)各相電流產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為：

TU=kIsin(θ)

TV=kIsin(θ-2π/3)

TW= kIsin(θ+2π/3)

    穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，θ=ωt,，則三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩為：

    T=TU+TV+TW=(3/2)kIsin(π/2-ωt+θ)kI

    以上分析表明,，對(duì)于三相永磁同步電機(jī)，當(dāng)三相繞組輸入三相對(duì)稱的正弦電流時(shí),，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。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（見圖2）,，它們按固定時(shí)序分別流過三路繞組，其每個(gè)階梯對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步,。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,，而輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過的角度，當(dāng)角度越小的時(shí)候,，那么其階梯數(shù)就越多,，即細(xì)分就越大，從理論上說此角度可以設(shè)得足夠的小,，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，一般使用的為2500線,，所以每一步轉(zhuǎn)過的角度僅為0.144°（即360/2500）,，而此方法控制的步進(jìn)電機(jī)，比如其細(xì)分?jǐn)?shù)為10000，則每一步轉(zhuǎn)過的角度為0.036°,，所以比一般的伺服控制精度高很多,。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(shì),，頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)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,，通過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)，所以其綜合性能（高,、低速噪聲,，高速力矩，高速平穩(wěn)性等）很難趕超交流伺服控制系統(tǒng),。

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,。

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,、電流追蹤型SPWM電路和功率驅(qū)動(dòng)電路組成,。

DSP模塊設(shè)計(jì)

在這里，筆者選擇了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(jī),，它同樣是將中央處理單元、控制單元和外圍設(shè)備集成到一塊芯片上,。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)制,，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,。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4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（可產(chǎn)生六路PWM信號(hào)）,，另外還有專用接收外部脈沖和方向的I/O口，從而簡化了電路設(shè)計(jì)和程序開發(fā),。

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),。

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(cè),，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(cè)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)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頻率的三角波輸出,，形成空間矢量脈寬調(diào)制信號(hào)（SVPWM），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。

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,，由整流濾波電路,、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,，完成200V,、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,。逆變器由仙童公司生產(chǎn)的六只G30N60B3DMOS管組成,，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,。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)峰值線電流的峰值小于MOS管的最大電流值,。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11.312A(即8.1sqrt（2）),。此外,，電機(jī)繞組在三角形接法時(shí)，線電流是相電流的三倍,，所以線電流峰值為19.6A,。由G30N60B3D PDF文檔知，其最大流值為30A,，故可以保證正常使用,。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℃，因此要外加散熱器并強(qiáng)制風(fēng)冷,，以保證MOS管正常工作,。

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,。并口RAM比傳統(tǒng)使用的E2PROM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),，但占用的I/O口較多,，這里CPU有足夠的資源可以使用。

控制軟件流程

圖4示出主程序流程圖,，圖5示出定時(shí)中斷流程圖。為減少功耗和保護(hù)電機(jī),，設(shè)置了自動(dòng)半電流功能（靜態(tài)鎖軸或沒有脈沖輸入時(shí)電流減半）,，它由滯環(huán)比較器自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

性能指標(biāo)及目前的應(yīng)用情況

設(shè)計(jì)后所達(dá)到的性能指標(biāo)：

·輸入交流電壓可為90V~275V,；

·輸入信號(hào)采用光電隔離,；

·采用IGBT為輸出級(jí)的功率電子開關(guān)；

·SVPWM（正弦空間矢量脈寬調(diào)制）,，三相恒流標(biāo)準(zhǔn)正弦波輸出,，三角載波頻率為20kHz；

·自動(dòng)半電流鎖定,；

·斷電保護(hù)功能（斷電自動(dòng)相位記憶功能）,；

·電流控制靈活可選（2.0A~8.1A）,，適配86、90,、110,、130座號(hào)的三相各系列電機(jī)；

·脫機(jī)（FREE）功能,；

·噪音低,、發(fā)熱量小、效率高,、運(yùn)行特性良好,；

·本驅(qū)動(dòng)器為單脈沖（P+D）控制模式；

·目前所做的最大細(xì)分?jǐn)?shù)為16000p/r,，最小為600p/r,，主要由用戶而定，可以做得更小也可以做得更大,。

    結(jié)語

    實(shí)踐證明本文所講的驅(qū)動(dòng)方法其適應(yīng)性很強(qiáng),，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,，低頻時(shí)運(yùn)行平穩(wěn),，無振蕩，有效地抑制了振蕩,、噪音,。另外，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路,，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的可靠性大大提高,。