三相混合式步进电机驱动器设计_信息与通信_工程科技_专业资料。介绍了三相混合式步进电机的驱动电路设计

　　《 电技术 》２ １ 年第 ２期 机 ００ 机 电研究及设计制造 三相 混合式步进 电机驱动器设计 胡静 丰宋波 （． １武汉理工大学 自动化学院，湖 北 武汉 ４ ０ ７ ；２ 深圳纽科利核 电工程有 限 ，广东 深圳 ５ ８ ２ ） ３００ ． １１ ４ 摘 要 ：为 了提高三相混合式步进 电机低频运行 的稳定性 、降低系统噪声和振动 ，设计 了采用功率器件和细分技术 的驱动器 。通过合理选择步进电机相绕 组细 分电流波形 ，增加步进 电机运行 的平稳性 ，具体的分析 了控制电路的设计 ： 电流指令发生器、 电流闭环控制器 以及 故障保护 电路 。 关键词：混合式步进电动机；驱动 器；细分技术 中图分类号 ：Ｔ ３ ３ ６ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１７ — ８ １（ ０ ０ ２ ０ ０ ０ Ｍ８． ６２ ４ ０ ２ １ ）０ — ７— ４ 早 期 的三 相 混 合 式 步 进 电机 驱 动器 是 完全 由模拟 电路 实现 ，硬件 电路 复杂 。随着 电机 驱动 朝 着数 字化 的方 向发 展 ，后来 出现 了数 字 与模拟 相 结合 的三相 混合 式步 进 电机 驱 动 器，随着 高速 Ｄ Ｐ的 出现 ， 电机 控制 朝着 全数 字控 制的 Ｓ 方 向发 展 。一方 面 ， 由于 采用 全数 字控 制 ，硬件 １ １主 回路 部 分 ． ’ 驱动 器 的主 回路 部分 采 用交 直交 电压 型逆 变 器 形式 。 由不控 整流 桥 、滤 波器 、逆 变器 以及 三 相 混合 式步 进 电动机 等组 成 。不控 整 流桥和 滤 波 电容 器一 起构 成直 流 电压 源 ， 完成 恒频 恒压 （ＦＶ ＣＣ ） 交流 电源 到 直流 电源 的变 换 。不控 整流 桥 由功 率 电路相 当简 单 ，成本低 廉 ；另 一方 面 ，可 以利用 ＤＰ运 算速 度快 、精度 高和 软件编 程灵 活 的特 点 ， Ｓ 采用 合适 的控 制策 略 ， 高驱 动器 的性 能 。目前 ， 提 步 进 电机驱 动系 统存 在 的主要 问题 之一 是低 频振 荡。 步进 电机 在低 速运行 时 易 出现 低频 振动现 象 ， 振动 频 率与 负载情 况和 驱 动器性 能有 关 ，低频 振 动现 象对 于机 器 的正 常运转 非常 不利 。本 文主 要 是针 对 步进 电机低 频整 荡 的 问题 ，设计 了采用 功 二极 管完 成 ，其 中输 入为 ２ ０ 、５ Ｈ 流 电，输 ２ Ｖ ０ ｚ交 出直流电压为 ３ ０ 。 ０ Ｖ 逆变器实现从直流到变频变 压 （Ｆ Ｖ 交流 的转 换 ，提供 所 要求 的 电流给 三相 ＶＶ） 混合 式步 进 电机 。逆 变器 由三 菱公 司生产 的 ２Ａ ０、 １０Ｖ 功 率模 块 组 成 。 该模 块 内部 集 成 了 ６ 只 ２０ ＩＢ ，构 成三 相全 控逆 变桥 。驱动 器采 用两 只霍 ＧＴ 尔 电流 传感 器检 测步 进 电动机 相 电流 的瞬时值 。 １ ２控 制 回路部 分 ． 率器 件和 细分 技术 的驱动 器 。 驱 动器 的控 制 回路 部分 主要 包括 电流指令 发 生器 、 电流 闭环 控制 器 以及 故 障保护 电路 三部 分 。 电流 指 令 发 生 器 的输 入 信 号 包 括 脉 冲输 入 信 号 ｓ 、正 反转控 制 信号 Ｕ／Ｄ Ｐ 、使 能控制信 号 Ｅ Ｎ和 细 分控 制信 号 Ｍ Ｃ Ｉ 。另外 还 有步 数选 择开 关和 相 １ 驱 动 器设 计 三相 混合 式步进 电机驱 动器 系统 分为 两大 部 分 ，一是 主 回路部 分 ，二是控 制 回路 部分 。驱动 器 结 构框 图如 图 １ 所示 。 电流幅 值选 择开 关 ，其 中 ，脉 冲输 入信 号 可 以 由 ＣＣ 系 统或 其他 控制 系统 给 出 ，接 口采用 Ｒ４ ２ Ｎ Ｓ ２ 差 动输 入方 式 ，这具 有传 输距 离远 、抗 干扰 能 力 强 的优 点 。电流指 令发 生器 结构 图如 图 ２所 示 。 艨 冲辕八Ｓ 嚣魏 Ｄ 禳嘲 健麓 魅 褴 粕 麟 薮 莲辑 镪藕 粼鳙 箍翻ＭＩ Ｃ 期魄 漉鞴择 歼燕 岿簸 建择歼装 电 薅 图 ２ 电流 指 令 发 生 器 结 构 图 实 际运 行 中 ，当三相 正 弦 电流流 过步 进 电动 图 １驱动器结构框 图 机 绕组 时 ， 若对 正弦 电流进 行 正弦量 化控 制 （ 图 如 ７ ０ 机 电研究及设计制造 《 电技术 》２ １ 机 ０ ０年第 ２期 ３所示 ） ，则函数 的 每一 阶梯 与 电机 的每 一步 相对 应 ， 电机 每转 的步数 就 由每一 个周 期 正 弦 电流 的 阶梯 数和 电机 的磁 极对 数 决定 。虽 然 从理 论上 来 说 电机每 一转 的步数 可 以做 得 比较 高 ，但 考虑 到 实际应 用 的情 况 ，系统 选择 了 １ 细 分功 能 。步 ０倍 数 选择 用 波段 开关 设 置 ，通 过和 细 分控 制信 号 的 立 刻 对 Ｄ 触发 器清 零 ，使 Ｄ 触 发 器输 出 Ｑ＝ ０ ， 关 断所 有 下桥 功 率 管 ，使绕 组 电流 减小 。当 Ｖ ＜Ｖ ｒ ｆ 时 ， 比较 器 输 出高 电平 。 当恒 频 同步脉 冲 上 ｅ 升 沿 到来 时 ，使 Ｄ触 发器 的输 出 Ｑ等 于环 形分 配 器 产 生 的逻 辑 信 号 。脉 冲 发生 器产 生 脉冲 信 号 ， 接 到 Ｄ触 发器 的 ｃ ｏｋ端 ，用这 一 脉冲 信号 检测 ｌｃ 电流 反馈 信 号和 环 分信 号 ，使 触 发器 的输 出 Ｑ为 下桥 环 分信 号 ，用 Ｑ去 控 制下 桥 臂功 率管 的导 配合 ， 设 置步进 电动机 的每转 步数 为 ２ ０ ３ ０ 可 ０ 、０ 、 ６ ０（ 细分 ） ０ ０ ０ ０ ０ ０ 细分 ） ０ 无 、２ ０ 、３ ０ 、６ ０ （ 。相 电流 选择 控 制也 由波段 开关 设 置 ，它 可 以调 整步 进 电 动机 相 电流 设 置值 在 １４ ｌ倍 额 定 电流之 间 变 ／～ 化 。循环 计 数器 采用 可 编 程逻 辑器 件 Ｇ Ｌ Ａ ，两 片 Ｅ ＲＭ 中存放 了产 生各 相 电流 的 正弦 量化 数 据 。 ＰＯ Ｄ Ａ转换 采用 并行 输 入 ８位 精度 的 Ａ ７ ２ 。 ／ Ｄ ５ ４ 』 ａ ’、 一 ｌ ｌ Ｊ ， ｂ Ｌ Ｊ －＿ ＬＪ 通和关断，每来一个脉冲检测一次 ，实质上这是 种恒频逐个脉冲比较的定电流控制电路。 输 入 到 功放 桥 的 总线 电流 是 相 电流 的合 成 ， 在 电机 的每 次状 态 转换 以及在 某 一状 态 时 的斩波 导 通和 斩 波 关断 过程 中 ，取样 电阻上 的取 样 电压 都 实 时在 检测 总 线 电流 ，当取 样 电压 大 于参 考 电 压 时 ， 电流 反馈信 号 会 关 断所 有 下桥 臂功 率 管 ， 这 时就 会有 绕 组 续流 发 生 ，续 流 电流 与相 电压 方 向相 反 ，绕 组 电感 储 能 向其 余绕 组 回路 和 电源 释 放 。这 意味 着 总线 提 供 电流 减少 。当 总线 电流 减 小到 一 定程 度 ，使 得 取样 电阻上 的取样 电压 小于 参考 电压 时 ， 电流 反 馈信 号会 使 下 桥臂 的 功率 管 重新 开通 ， 电源 电压 提供 的 电流 增 加 ，总 线 电流 一 …一 、 ｒ ＿ ｊ 、 又开 始增 加 ，而 后 重 复上 述过 程 。这 样 总线 电流 在 电机 运 行 过程 中基 本 保持 恒 定 。 Ｌ 】 １∞ Ｌ Ｌ 一 、 ｌ１ － １ Ｌ 一ｊ ｆ ＿ 图 ４ 电流 控 制 环 节 Ｌ＿ １ｕ 图 ３ 流 入 电机 绕 组 的 三 相 阶 梯 状 电流 １ ２ ２ 电流 闭环 控 制 ．． １２ １总 电流控 制原 理 ．． 电流 控 制环 节 是三 相 混合 式 步进 电动机 恒 总 流驱 动器 的关键 技术 之 一 ， 它对 步进 电机 的运 行 特 性 及驱 动 器 的可靠 性 有 显著 影 响 。其 分 为三 个 部分 ，第 一部 分总 电流检 测部 分 ： 图 ４中 为 串 在 主 回路 的 检 测 电阻 。 Ｉ 为 总 电流 ，Ｖｓ＝Ｒ ｏ ｏ ｓＩ 为检 测 电阻 上 的压 降 ，反 映 总 电流 的大 小 。第 二 电流 闭环 控制 部 分采 用 模 拟运 算放 大 器构 成 比例 调 节 器 （ 方 式 ） Ｐ 。调节 器 输 出信 号和 三 角载 波信 号 比较 ，生 成驱 动 功率 器件 开通 关 断 的 Ｓ Ｗ ＰＭ 信 号 ，功率 器件 的开关 频 率为 １ ｋ ｚ ５Ｈ 。 １ ２ ３故 障检测 及 保护 电路 ．． 为 了保 证 系统 安 全运 行 ，设计 了系统 故 障检 部 分 为低通 滤 波部 分 ， ｔ Ｃ Ｒ ， ｔ为 滤波 电阻和 电容 ， Ｖ： Ｖ ｒｆ 是 与 额 定 总 电流 对 应 的基 准 电压 。第 ｅ 三 部分 是 三相 混合 式 步进 电动 机恒 总 流驱 动 器 电 流控 制环 节 。Ｖ 为 Ｖ 经 滤 波后 的电压 信 号 。Ｖ＞ Ｖ 测及 保护 电路 ，它 主 要有 故 障信 号 检测 电路 、故 障记 忆 电路 、故 障显 示等 三 个 部分 组成 （ 图 ５ 如 所示 ）其 中故障信号检测会对传递来的模拟量和 。 数字 量分 别进 行 检测 ， 并各 级 设定 的 安全值 比较 ， 排 列 出要 解 决 问题 的优 先 等级 ，并把 相 关信 息传 ｒｆ时 ，总 电流 超 过 限定值 ， 比较 器输 出低 电平 ， ｅ ７１ 《 电技术》２ １ 机 ０ ０年第 ２期 机 电研究及设计制造 递 给故 障记 忆 电路 。故 障记 忆 电路 由故 障区 别显 示 装置 、故 障记 忆 自锁装 置 、过 流取 样装 置 、断 相检 测装 置 、过流 保护 装置 、堵 转保 护装 置组 成 ； 其 中 ，过 流 取样装 置 的输 出端与 过流 保护 装 置 的 绕 组 电流基 本恒 定 ，从 而保 证在 很大 的频 率 范 围 内电动机 的输 出转矩 基 本恒 定 。而输 出转 矩 是步 进 电机 的一个 重 要性 能 指标 ， 当我们 使 电机 的绕 组 电流恒 定 在一 个较 高 的数 值 时，就 可提 升 电机 的输 出转 矩 。 Ｖ 输 入端 相连 ，断相检 测装 置 的输 出端 、 过流保 护 装 置 的输 出端 、堵转 保护 装 置 的输 出端分 别 与故 障记 忆 自锁装 置 的输入 端相 连 。 其保 护 功能如 下 ： Ｐ ＷＭ 稿 辑 避髓 熊 魄 器掘龋帮 蟹 图 ５ 故 障 检 测 及 保 护 逻 辑 Ｇ Ｄ Ｎ （） １ 直流过 电压 。 当主 电路 的母线 直流 电压 高 于某 特定 值 时 ，会 对 整个 系统 的安 全造 成 一定 影 图 ６ 斩 波 恒 流 驱 动 原 理 图 ２ 系统 的软件部分 系统采 用 矢量 控制 ，在 给 定转 子磁 链 的位置 和 两相 电流 的情况 下 ，通过 Ｐ Ｉ调节 ，实 时控 制 步 进 电机 的磁场 和 转矩 ，从 而就 能 高效率 、高精 度 的控制 步 进 电机 。给定 电流 ｉｒ ｆ ｑ ｅ ｄ ｅ 、ｉ ｒ ｆ与反 响 。因此 直流 电压 过 高时 ，设 计 了直流 过压 保 护 电路 。 （） 断器熔 断保护 。 ２熔 当熔 断器 因某些 意外 情 况熔 断时 ，驱动 器 显示 故障报 警 。 （） 制 电源 欠压 。控 制 电源 电压 比较低 时 ， ３控 容易 引起 控制信 号 的紊 乱 ，驱动 器很 可 能发 生误 动作 。故 设计 了欠 压保 护 ，在 欠压 故 障发 生时 ， 停止 步进 电机驱 动器 工作 ，保 护驱 动器 的安 全 。 （） 路过 电流 。 ４短 当逆 变器 的桥 路 中流过较 大 的 电流 时 ，要 马上 采取 适 当 的方 式关 断 ＩＢ 工 ＧＴ 作 ，这 种保 护 由驱动模 块 Ｅ Ｂ ４ Ｘ ８ ０实现 。 在 系统 进入 真 正运行 前 ，驱 动器 的上 电初 始 状 态将 封锁 所有 逆变 器 开关 信号 ，以确保 逆变 器 馈 电流 ｉｆ ｂ ｑ ｄ ｄ ｄ 、ｉｆ ｂ之 差 ，经 Ｐ Ｉ调节 之后 输 出 电压 参考 量 Ｖ ｒｆ和 Ｖｒ ｆ ｄｅ ｑ ｅ ，再经 Ｐ Ｒ Ａ Ｋ逆 变 换 到 Ｑ—Ｂ坐 标 系下 ，就 可 以获得 ＶＱｒ ｆ和 Ｖ ｅ — Ｂｒ ｆ 以这 两个量 作 为 电压 空 间矢量 法 的输入 。 ｅ ， 其 中 的 ０角 可 以通 过 对外 部 的脉冲 计数 得 到 。只 要 ０角划 分 的足够 细 ，就 可 以有效 的抑 制步 进 电 机 的振动 。 根 据控 制 系统框 图和前 面 的分 析 ，可得 系统 软件 主要 由以下六 个 部分 组成 ：（ ）系 统初 始化 １ 的安全 。一旦接 收到 使 能控制信 号 Ｅ ，封 锁信 号 Ｎ 即被解 除 ，控制 系统 才进 入 工作状 态 。有 故障 发 生 时 ，故障继 电器 断开 ，保 护主 电路 的安全 。 １ ３斩 波恒流 驱 动 ． 子 程序 ；（ ）主循 环程 序 ；（ ）定 时器 Ｔ ２ ３ １下溢 中断服 务子 程序 ；（ ） 获 中断服 务子程 序 ：（ ） ４捕 ５ 功 率驱 动保 护 中断 服 务子程 序 ；（ ）掉 电 中断服 ６ 恒 流 斩 波 驱 动 控 制 技 术 是 目前 步进 电机 控 制 的主 流技术 之 一 ，斩波 电路 的 出现是 为 了弥补 高低 压 驱动 电路 波形 呈 凹形 的缺 陷，使 电机 的输 务 子 程 序 。 由 于 Ｆ Ａ ＩＳ６Ａ 的 开 关 频 率 为 ＳＭ ＯＨ ０ １ｋｚ ５Ｈ ，即开关周 期 为 ６ 。在程 序运 行 时间允 ７ 许 的情况 下 ，开 关频率 越 高 ， 控制 性 能就越好 ， 则 出转矩的平均值基本恒定。同时电机的高频响应 得 以提高 ，共振 现象 减 弱 。其 电路 结构如 图 １所 示 。斩波 驱动 中，虽 然 电路较 复杂 ，但 是 由于驱 动 电压较 高 ， 电机 绕组 回 路又 没有 串入 电阻，整 个系 统功 耗下 降很 多 ，所 以 电流 上 升快 。当达 到 所需 要 的 电流 时 ， 由于 取样 电阻的 反馈作 用 ，使 ７２ 所 以本系统 电流环的采样周期就采用 了 ＩＭ的 Ｐ 开 关周期 ６ 。 ７ 从而可 知 定时器 Ｔ 下溢 中断服 １ 务 子程序 的调 用频 率 为 １ｋ ｚ ５Ｈ ，每 ６ 执行 一 ７ 次 ，程序 中主要包 括 了电流检 测 子程序 、 电流 调 节子 程序 、Ｓ ＰＭ 调 制子 程序 、ＣＡ Ｋ 变 换子程 ＶＷ ＬＲ 序 、Ｐ Ｒ 变换 子程 序 、Ｐ Ｒ ＡＫ Ａ Ｋ逆 （ 下转 第 ８ ３页 ） 机 电研 究及 设 计 制 造 《 电 技术 》２ １ 第 ２期 机 ０ ０年 参考 文献： ［］西 门子 （ 国 ） 限公 司，Ｓ Ｅ Ｅ Ｓ Ｌ Ｇ ！ １ 中 有 ＩＭ Ｎ ．Ｏ Ｏ 手册 （ ６ ［Ｂ Ｏ ］ ｈ ｔ ：／ ｗ ２ ａ ． ｉ ｍ ｎ ． ｏ ．ｎ ｄｗ １ ａ ／ ｐ ｏ ｄ Ａ ／ Ｖ ） Ｅ ／ Ｌ ． ｔｐ ／ｗ ｗ ． ｄ ｓ ｅ ｅ ｓ ｃ ｍ ｃ ／ ｏ ｎ ｏ ｄ Ｕ ｌ ａ／ Ｓ ｍ ｎ ａ ／ ７一 ｏ ｋ ｐ ｆ ａ ｕ ｌ ４ ２ ｂ ｏ ．ｄ ［］Ｕ ｅＧ ａ ｎ ，Ｍ ｋｈ ｅ ｅ ｔａ ｄＬ ｄ ｉｅ ｚ ．Ｌ Ｇ ！ ｒ ｃ ｉ ａｒ ｉ ｉｇ ［］ Ｂ ｌ ｕ ｇ ｈ ｕ ｃ ｕ ｂ ｃ ｖ ｒ ａ ｅ ２ ｗ ｒ ｕ ｅ ｉｅＴ ｉ ｌ ｒｎｕ ｗ ｇ ｎ ］ Ｏ Ｏ Ｐ ａ ｔ ｃ ｌ ａｎ ｎ Ｍ ． ｉ ｄｎ ｓ ａ ｓＳ ｈ ｌｕ ｈ ｅ ｌ ｇ Ｗ Ｔ Ｗ ｓ ｅ ｍ ｎ ｃ ｒ ｅ ｅ Ｄ ｅ ｔ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎｉ ｇ ｉ ｋ ｅ ｓ ｍ Ｈ Ｂ ａ ｎ ｃ ｗ ｉ ， Ｇ ｒ ａ ｙ， ０ ９ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ Ｓ ｈ ｏ ｄ ｌ ｉ ｓ ｅ ｗ ｇ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｈ Ｗ ｎ ｌ ｒ Ｇ ｂ ， ｒ ｕ ｓ ｈ ｅ ｇ ｅ ｍ ｎ ２ ０ ． 作者简介 ：张子义 （ ９ ９年一 ，男 ，高级工程师，研究方 向：机 电一体化 ，电机驱动及 控制 ，单片机等 。 １５ ） （ 上接 第 ７ ２页 ） 变换 子程 序 以及 系统 的监 测 和 故障 处 理模 块等 。 和 细 分技 术 的驱 动 器 ，具 体 地分 析 了控 制 电路 的 设 计 ，通 过 适 当选 取相 绕 组 细分 电流波 形 ，可 增 加 步进 电机运 行 的平稳 性 ，但是 对 于故 障 检测 及 ３ 结 束 语 根 据前 面 的 分析 ，本文 主 要 针对 三 相 混合 式 记 忆 电路 如 何 有 效 地 检 测 和 记 忆 设 计 还 有 待 完 善 ，需 要深 入研 究 。 步进 电机 低频 整 荡 的 问题 ， 设计 了采 用 功 率器 件 参考 文献 ： ［］刘宝廷 ，程树 康．步进 电动机及 其驱动控制系统 ［］ １ Ｍ ．黑龙江 ：哈尔滨工业大学 出版 社 ．１ ９ ． ９７ ［］史敬灼 ．步进 电动机伺服控制技 术 ［］ ２ Ｍ ．北 京：科学 出版社 ．２ ０ ． ０６ ［］敖荣庆 ，袁坤 ．伺服系统 ［］ ３ Ｍ ．北京 ： 航空工业 出版社 ．２ ０ ０ ７． ［］姜杏辉 ，邹丽 新 ，孙平 ，马励行 ，季 晶晶．基于可控 电流源 的高精度高细分 步进 电动机 细分驱动 ［］ ４ Ｊ ．微特 电机 ， ２ ０ ， （５ ：２— ４ ０ ８ ０ ） １２ ． ［］李玲娟． ５ 多细分二相混合 式步进 电机驱动器 的研 制 ［］ 西安：西北工业大 学， ０ ７ Ｄ． ２０． ［］陈 国呈 ．Ｐ Ｍ逆变技 术及 应用 ［］ ６ Ｗ Ｍ ．北京 ：中国电力出版社 ．２ ０ ． ０７ 作者简介 ：胡 静 （９ ４年一 ，男 ，硕士研 究生，研 究方 向：电气智 能化 测控与故 障诊 断。 １８ ） 丰 宋波 （９ ４ ） １ ８ 年一 ，男 ，本科 ，主要从事核 岛核级 电机及常规 岛低压 电机预防性维修及 故障分析处理工作 。 ８ ３
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