三相步进电机驱动器_电子/电路_工程科技_专业资料。高新技 术 ａｅ ｎｇ…ｄｓ Ｎ ｏｉｎｒｃ ｗ ｌｅ ｄ“ ｏｓ Ｐ翻囵囫翟蓬豳 ａ ｏｔ ｕ 基于 Ｃ Ｌ 带细分的 Ｐ Ｄ的 三相步进电机驱动器设计 薛 大 庆 （

　　高新技 术 ａｅ ｎｇ…ｄｓ Ｎ ｏｉｎｒｃ ｗ ｌｅ ｄ“ ｏｓ Ｐ翻囵囫翟蓬豳 ａ ｏｔ ｕ 基于 Ｃ Ｌ 带细分的 Ｐ Ｄ的 三相步进电机驱动器设计 薛 大 庆 （ 宇通 信 技 术 有 限公 司 ， 达 黑龙 江 哈 尔滨 １０ ０ ） ５０ ０ 摘 要： 混合 式 步进 电机 的 工 作原 理 类似 于 永磁 同步 电机 ， 完全 可 以 引入 同步 电机 的 先进 控 制 方法 ． 同步 电机 控 制 的角度 来 控制 从 步进 电机 ，就从 根本 上跳 出了步进 电机 细分控 制 是 对相 电流控 制的 限 制 ， 实现 了全 新 的脉 冲 细 分控 制 。基 于这一 理 论 开发 出以 Ｃ Ｐ 为核 心的 三相 混合 式 步进 电机脉 冲细分 控 制器 。 ＬＤ 关键 词 ： 混合 式步进 电机 ； 冲 细分 ； Ｐ Ｄ 脉 ＣＬ １前言 步进 电机 是一 种开 环伺 服 运 动 系统执 行 元 件 ， 脉 冲 方式 进 行 控 制 ， 点 就 是价 格 低廉 ， 且 无 积 累误 差 ． 并 但 是， 步进 电机 运 行存 在许 多 不 足之 处 ， 如低 频 振 荡 、 声 大 、 辨 率 不 高 等 ， 严重 制 约 了 噪 分 又 步进 电机 的应用 范 围 。 步 进 电机 的运行 性 能与 它 的驱 动 器有 密 切 的联 系 ，可 以通过 驱 动技 术 的改 进 来克 服 步进 电机 的缺点 。 细 分驱 动方 式不 仅 可 以减小 步 进 电机 的 步距 角 ， 提高 分辨 率 ， 且可 以减少 或 消除 低 而 频振 动 ，使 电机 运行 更 加平 稳 均匀 。总体 来 说， 细分 驱动 的控 制效 果 好 。 因为三 相混 合式 步进 电机 比二 相 步进 电 机有 更好 的低速 平稳 性 及输 出力矩 ，所 以三 相混 合式 步 进 电机 比二相 步 进 电机 有更 好 应 用前 景 。 传统 的 三相 混合 式步 进 电机 控 制方 法 都 是 以 Ｄ Ｐ或 单 片机 辅 以硬 件 完 成 ， 文 主 要 Ｓ 本 讲述 使 用 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ来 实现 三相 混 合 式步 进 电 机 控制 。 ２驱 动原 理 目前 步进 电机驱 动器 大都 采 用恒 流 斩 波 驱动 方式 ， 用正 弦波 细分 电 流控 制 。 采 采用 正 弦波 细分 电流 控 制技 术 ，可 以大 幅 度改 善 步 进 电机 的运行 品质 ，减 少转 矩 波动 ，抑 制震 荡， 降低 噪音 ， 时也提 高 了步距 分 辨率 。 同 为 了提高 恒 流效 果 ，本设 计 采用 逐 步 电 流 积 分 加 比较 器 实 现恒 流 控 制 ， 电路 如 图 １ 图 ２ 由 ＣＰ Ｄ 构 成 的 ＤＡ Ｌ ３ 细分 原理 图 １ 电流控 制 电路 三相 驱动 共需 ｊ 套 电路 。Ｃ Ｍ 和 ＭＧＮＤ Ｏ 来 自电流取 样 电 阻两 端 ， １ ２为积 分 电容 ， Ｃ／ Ｃ 在ＣＬ Ｐ Ｄ控 制 下逐 脉 冲交换 。 假设 Ｃ 为积分 １ 电容 时 ， 当积分 电流输 出 高于 预设 值 时 ， 比较 器输 出 反转 ， Ｃ Ｌ 由 Ｐ Ｄ控 制输 出 电路关 断 ， 达 到恒 流 目的 。同 时 ， Ｃ１和 Ｃ ２功能 交换 ， Ｃ１短 路到地 放 电 ， ２开始 电 流积 分 。 Ｃ 预 设 电压 由 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ构 成 的 Ｄ Ａ生 成 ， 电 路如 图 ２ 输 出 的 Ｐ ＷＭ 波 经 阻容 滤波 输 入 比 较器 步进 电机 的细分 控 制从 本 质上 讲 是通 过 对步 进 电机 的定 子绕 组 中电流 的 控制 ，使 步 进 电 机 内部 的合 成 磁 场按 某 种 要 求 变 化 ， 从 而实 现 步进 电机 步距 角 的细 分 。 般情 况 下 ， 一 合成 磁场 矢量 的幅值 决定 了电机 旋 转力 矩 的 大小 ，相 邻两 合成 磁 场矢 量 的之 间的夹 角 大 小决 定 了步距 角 的大 小 。在 电机 内产 生接 近 均匀 的 圆形旋 转 磁场 ，各 相 绕组 的合成 磁 场 矢量 ，即各相 绕 组 电流 的合 成矢 量 应在 空 间 作幅 值恒 定 的旋 转运 动 ，这 就需 要 在各 相 绕 相 中通 以正 弦 电流 。 三相 混 合式 步进 电机 的工作 原 理 十分类 似于 交流 永磁 同步 伺 服 电机 。 其转 子 上所 用 永磁 磁铁 同样 是 具有 高磁 密 特性 的稀土 永磁 材料 ，所 以在 转子 上 产生 的感应 电流对 转子 磁场 的影 响 可忽 略不 计 。 在结 构上 ， 相当 于 它 种 多极 对数 的 交流 永磁 同步 电机 。 由于 输 入是 三相 正 弦 电流 ，因此 产 生 的空 间磁 场呈 圆形 分布 ，而 且 可 以用永 磁 式 同步 电机 的结 构模 型分 析 ｉ相 混合 式 步进 电机 的转矩 特性 对于 三相 永磁 同步 电机 ，当三相 绕 组输 入 相 差 １ ０ 的正 弦 电流 （ ３ 时 ， ２。 图 ） 由于 在 内部 产 生 圆形旋 转磁 场 ， 电机 的输 出转 矩 为恒 值 。 因 此 ，将 交 流伺 服控 制 原理 应 用 到ｉ 相混 合 式 步进 电机 驱 动系 统 中 ，三路 阶梯 式 正 弦波形 电流 ， 它们 按 固定 时 序分 别 流过 三路 绕 组 ， 其 每个 阶梯 对应 电机转 动 一步 。通 过 改 变驱 动 器输 出正 弦 电 流 的 频率 来 改 变 电 机 转速 ， 而 输 出的 阶梯数 确 定 了每 步转 过 的 角度 ，当角 度越 小 的时候 ， 么 其 阶梯数 就 越 多 ， 那 即细 分 就越 大 ，从 理 论 上说 此 角度 可 以设 得 足够 的 参 考 文 献 小 ， 以细分 数可 以是很 大 。 所 ［ 姜 淑 忠 ， 继 敏 ， 庆 文． 弦 波 电 流驱 动 １ 】 赵 王 正 的 三 相 混 合 式 步 进 电动 机 的 可 变细 分 运 行 『１ ｌ． 电工技 术 杂 志 ，９ ８５：０１ ； １ ９ （） ８ ０ ｆ１ 瑞 ， 兴 进． ２林 孙 步进 电动 机 的 细 分 电流波 形 及 其 实现 Ｕ ． 海 大 学 学报 ：自然 科 学版 ， １上 一 可 见 ，细分 控制 的关 键 在 于生成 恰 当三 相 电流 波形 ，我 们可 以事 先 将 电流波 形 值算 好 ， 于 Ｃ Ｌ 的 Ｆ Ａ Ｈ 中 ， 据 双 向脉 冲 存 ＰＤ ＬＳ 根 计 数 器 计 得 的 位 置 和 当 前 运 行 方 向 从 Ｆ Ａ Ｈ 中读 出 三相 电流设 定 值 ， 过控 制 电 ＬＳ 通 路 ，功率 驱动 电路 生 成三 相 电流 驱动 步进 电 机运 转 。 ４Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ特点 ＣＬ Ｐ Ｄ器 件 具 有 速 度快 、 功耗 低 、 密 性 保 好 、 序设 计 灵 活 、 干 扰 能力 强 、 程 抗 与外 围电 路接 口方 便等 特 点 ，越来 越多 的应 用 于各 种 工控 、 测量 、 仪器 仪 表等 方面 。 Ａｔｒ ｌ ａ推 出 的 低 成 本 的 Ｃ Ｌ ＭＡＸ Ｉ ｅ ＰＤ Ｉ 系 列 器 件 ， ＭＡＸ Ｉ 件 支 持 高 达 ３ ０ Ｉ器 ０ ＭＨｚ 的 内部时 钟 ，可为 读 者提 供更 高 的系 统级 性 能。 Ｍ Ｘ Ｉ Ｃ Ｌ 内的 Ｆａｈ 储 器是 一 个 Ａ Ｉ Ｐ Ｄ ｌ 存 ｓ 容量 为 ８ 比特 ， Ｋ 可访 问 且可 编 程 的 Ｆａｈ ｌ 存 ｓ 储 器块 ， 用 于存储 读者 自己定义 的数 据 。 可 这 相 当于在 ＭＡ Ｉ 件 内部集 成 了一 个 非 易 Ｘ Ｉ器 失性 的存储 器 ，从 而 可减 少系 统 芯片 数量 和 成本。 ５带 细分 的ｉ 相步进 电机驱 动器 组成 驱 动器 的总 体 方 案 主要 包 括输 人 接 口 、 控 制 信号 生成 电路 和功 率驱 动 电路组 成 。 输入 接 口 ： 输入 接 口很 简单 ， 由光藕 接 收 外 部 输 入 的脉 冲 、 向 、 方 停止 、 流等 开 关 量 半 信 号 ， 入 控制 信号 和 Ｐ 送 ＷＭ生 成 电路 。 控制 信号 生成 电路 ：控 制 信号 生 成 电路 在 接 收到输 入 脉 冲时根 据 当前 位 置和 转动 方 向设 定 相功 率驱 动 电路输 出的 电流 大小 和 方 向， 完成 对 电机 的驱动 。 功率 驱动 电路 ：功率 驱 动 电路 由 ｉ组 Ｈ 桥构 成 ， 别对 应 三相 步进 电机 的三 个绕组 。 分 ６结论 实践 证明 本文 所讲 的 驱动 方 法其适 应 性 很 强 ，基本 上 可 以适应 所 有 的三相 混 合式 步 进 电机 。 控 制 方式 快 速 灵 活 ， 行平 稳 ， 运 无振 荡 ， 有效 地抑 制 了振荡 、 声 。另 外 ， 噪 驱动 器 内部 设 计 多种 保护 电路 ，使整 个驱 动 器 的可靠 性 大大 提高 。 １ ９ ， （） ０ ２ ０ ． ９ ９ ５６： １ ５ ４ ５ ［】 ３仲科 ， 钢锋 ． 于 ＤＳ 颜 基 Ｐ的三相 步进 电机 脉 冲 细 分控 制 器设 计 【． 南 大 学学报 （ ｌ江 １ 自然 科 学￣ ） ０ ， ＆２ ７ ４ ０ 图 ３相 差 １０ 的三相 阶 梯 式正 弦 电流 ２ｏ 中国新技术新产品 一１ ５—
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