三相混合式步進電機細分驅動器的設計

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江 杭州310018)

0 引 言

步進電機具有控制簡單、成本低、無累積誤差和定位精度高等優(yōu)點，在工控領域中應用十分廣泛[1]。但步進電機受生產制造技術的限制，轉子齒數(shù)不可能做得很多，故每走一步轉過的角度比較大，電機運行不夠平緩。采用細分驅動技術，可以減小每走一步的角度，運動效果大大提高[2]。結合細分控制理論的發(fā)展，針對步進電機轉動時出現(xiàn)的不平穩(wěn)現(xiàn)象，本文設計了一種以PIC 單片機為控制核心的細分驅動系統(tǒng)，最終輸出平滑地三相交流電，有效降低了步進電機的運行噪音。

1 細分原理

步進電機的細分方法是通過給各相繞組通以電流，讓它規(guī)律性地發(fā)生變化，從而在原有電機的基礎上，減小每次走過的角度，達到工作平穩(wěn)的目的[3-4]。

三相混合式步進電機一般把三相繞組連接成星形或者三角形，本文均以星形連接為例，空間結構如圖1所示。假設各相電流按照如下給定:

圖1 三相繞組結構圖

故分別以正弦波電流通過各相勵磁繞組時，合成的磁動勢矢量將以固定幅值均勻旋轉，步進電機微步運行。

圖2 電流矢量合成圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件方案

三相混合式步進電機細分驅動器系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

本系統(tǒng)為交—直—交電路，由80 220 V 交流供電，整流濾波后再配合開關電源為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的直流電壓。微控制器選用MICROCHIP 公司的PIC16F723，將脈沖信號和方向信號配置為捕捉輸入引腳，最大分辨率為12.5 ns，并通過光耦隔離提高控制信號的抗干擾能力。系統(tǒng)采用電流跟蹤型PWM控制方式，輸出電流信號緊跟參考電壓信號，形成電流反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，并實現(xiàn)雙極恒相流細分驅動。同時還設計了過壓、過流保護電路，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。一旦母線電壓超過360 V DC 或者總輸出電流超過15 A時停止工作，確保驅動器安全穩(wěn)定運行。

2.1.1 電流檢測電路

檢測電機繞組電流并將其轉化成電壓信號，方便電路比較處理，實現(xiàn)閉環(huán)控制，電路如圖4所示。采用線性電流傳感器ACS712T 將A 相電流信號IfbA以185 mV/A的靈敏度轉換成相應的電壓值，再通過運算電路，同時調節(jié)運放同相輸入端電壓，便可得到與電流信號幅值成一定比例的反饋電壓信號VfbA。步進電機一般把三相繞組連接成星形或者三角形，三相繞組電流和為零。故只要檢測出A 相和C相電流，B 相可由運算得出[5]。

2.1.2 PWM 生成電路

PWM 生成電路[6]如圖5所示，A 相反饋電壓信號VfbA與參考電壓信號VrefA經(jīng)過P 調節(jié)生成誤差電壓信號VdifA。誤差信號作為調制信號，與固定頻率的三角波載波信號相比較生成脈寬調制信號PWM_A，其他兩相電路類似。單路脈寬調制信號再轉換成兩路互補的PWM 信號，通過三相橋驅動芯片IR2136S 來控制逆變器中IGBT的開關狀態(tài)，使其不斷地開與關來獲得想要的電流。如果反饋電壓小于給定的參考電壓，那么得到的比較值大于零，經(jīng)過后續(xù)電路將增大輸出電流;相反，如果反饋電壓大于給定的參考電壓，那么將減小輸出電流。故繞組電流能快速輸出三相正弦波，使電機平穩(wěn)運行。

圖4 電流檢測電路

圖5 PWM 生成電路

2.2 軟件方案

2.2.1 主程序

系統(tǒng)軟件主要包括主程序和中斷服務程序。主程序流程圖如圖6所示，主要初始化系統(tǒng)和配置寄存器，等待電源電壓趨于穩(wěn)定。并確定細分數(shù)(400 30 000步/轉)，半流是否有效，單/雙脈沖模式選擇，然后打開中斷進入死循環(huán)，等待中斷發(fā)生。其中，脈沖、方向信號分別配置為單片機的捕捉1和捕捉2 引腳。

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷服務程序流程圖

2.2.2 中斷服務程序

中斷服務程序是軟件設計中的關鍵，程序的大部分時間花在中斷處理上，程序流程圖如圖7所示。它主要判斷脈沖和方向信號的輸入，從而確定電機旋轉方向。捕捉1 中斷產生時，根據(jù)脈沖與方向信號的輸入情況來確定電機正轉與反轉;捕捉2 中斷發(fā)生時，直接進行反轉處理。若設置為半流有效，如果在1 ms 之內沒有脈沖信號輸入，電機相電流輸出減半，減少電源功率損耗，延長使用壽命，下一個脈沖信號輸入時則恢復到以前的運行狀態(tài)。

3 實驗結果及分析

本系統(tǒng)以130BYG350CH型號的三相混合式步進電機為實驗對象，電機參數(shù)如下:轉子齒數(shù)50 齒，基本步距角1.2°，靜態(tài)相電流6 A，相電阻1.75 Ω，相電感14.6 mH，保持轉矩23 N·m，轉動慣量0.002 5 kg·m2。設定驅動器的細分數(shù)為2 000步/轉，驅動電流為6 A，空載下輸入步進脈沖f =2 kHz時，兩相反饋電壓信號如圖8所示。

圖8 兩相反饋電壓波形圖

從電壓波形可以看出，兩相繞組電流比較平滑，信號頻率和幅值基本相同，相位互差120°，十分接近正弦波。同時細分數(shù)設置越大，輸出相電流越接近正弦波，電機運行越平穩(wěn)。細分數(shù)不變時，改變輸入脈沖頻率便可改變相電流周期，從而改變電機轉速;改變驅動電流，便可改變輸出幅值，從而改變電機帶動負載能力。

4 結束語

本設計的三相混合式步進電機細分驅動器具有寬電壓輸入提高電網(wǎng)環(huán)境適應度，單/雙脈沖模式可選，自動半電流，過壓、過流保護功能，16種細分模式(最高可達30 000步/轉)，最大輸出驅動電流有效值6 A/相等特點。系統(tǒng)總體硬件成本低，控制簡單，運行狀態(tài)良好，具有較大的工程應用價值。引入細分控制的方法，輸出相電流接近正弦波，提高了步進電機的轉動性能和減少了噪音。為進一步提高驅動器的控制性能，可以采用DSP 芯片作為主控單元，實現(xiàn)步進電機的數(shù)字化控制。

[1]鐘宇明.全數(shù)字三相混合式步進電動機驅動系統(tǒng)[D].武漢:華中科技大學，2004:1-6.

[2]張文超，雷瑛，吳勤勤.步進電機PWM 恒轉矩細分驅動技術研究[J].機械制造，2003，41(6):33-34.

[3]林偉杰，李興根，潘安克.三相混合式步進電機正弦波細分驅動的研究[J].中小型電機，2003，30(5):26-28.

[4]王勝濤.三相混合式步進電動機驅動器的研制[D].南京:南京航空航天大學，2009:21-27.

[5]武迪，趙繼敏，蔣鵬.基于電流跟蹤型PWM技術的數(shù)字式步進電機細分驅動技術[J].電工技術，2009，(8):66-68.

[6]劉霜，李興根.新型三相步進電機細分驅動器設計[J].輕工機械，2013，31(4):60-63.