三相混合式步進(jìn)電機(jī)原理

1、.三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)原理和控制詳解1前言步進(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(wú)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，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)器有密切的聯(lián)系，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，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。 總體來(lái)說(shuō)， 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(méi)有編碼器反

2、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(lái)實(shí)現(xiàn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)控制。2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，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

3、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整理文檔.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交流永磁同步伺服電機(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（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

4、假設(shè)：a.電機(jī)定子三相繞組完全對(duì)稱；b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì)；c.激磁電流無(wú)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。圖 1 三相永磁同步電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)模型U、V、W 為定子上的 3 個(gè)線圈繞組， 3 個(gè)線圈繞組的軸線成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,theta）。其中， i 為繞組中通過(guò)整理文檔.的電流； theta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=k *I*sin （theta）， 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=I*

5、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，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， 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

6、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)?三路階梯式正弦波形電流，它們按固定時(shí)序分別流過(guò)三路繞組，其每個(gè)階梯對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。整理文檔.整理文檔.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，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(shuō)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(guò)的角度僅為0.144度，而此

7、方法控制的步進(jìn)電機(jī)，比如其細(xì)分?jǐn)?shù)為10000，整理文檔.則每一步轉(zhuǎn)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(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(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)，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)。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，按照電路基本定理，三相

8、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。3三相混合式步進(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。整理文檔.圖 3 驅(qū)動(dòng)器的整體框圖3.1 DSP模塊設(shè)計(jì)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(jī)， 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。但它又有自

9、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，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，含有四個(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(jiǎn)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(guò)流保護(hù)信號(hào)。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)。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，

10、電機(jī)轉(zhuǎn)子處于整理文檔.自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。反饋電流通過(guò)DSP 自帶的的 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)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(jī)。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，其主要用來(lái)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(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)。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，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，形成脈寬調(diào)制信號(hào)（ PWM），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，使步進(jìn)電機(jī)的繞組實(shí)際電流跟蹤給定

11、參考信號(hào)，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，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220V、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(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

12、合適的 MOS 管，即電機(jī)的線電流的峰值小于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8.1* sqrt（ 2） = 11.312A 。此外，電機(jī)繞組在三角形接法時(shí)，線電流是相電流的3 倍，所以線電流峰值為19.6A。由 G30N60B3DPDF 文檔知，其最大流值為30A,故可整理文檔.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 攝氏度，因此要外加散熱器并強(qiáng)制風(fēng)冷，以保證MOS 管正常工作。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，保證來(lái)電后工件可繼續(xù)完成加

13、工。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)，但占用CPU 的I/O 口較多，這里 CPU 有足夠的資源可以使用。3.5 控制軟件流程圖 4 主程序流程圖整理文檔.圖 5 中斷部分的流程圖為減少功耗和保護(hù)電機(jī)，設(shè)置了自動(dòng)半流功能，它由滯環(huán)比較器自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。4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)，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(wú)振蕩，有效地抑制了振蕩、噪聲。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。整理文檔.一、三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理1.工作原理根據(jù)三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理可知 ,在平面轉(zhuǎn)矩的矢量表示方法中,用 T_U