三相混合式多細分步進電機驅動器

本文根據正弦電流細分驅動的原理，設計出三相混合式多細分步進電機驅動器。系統采用電流跟跟蹤和脈寬調制技術，使用電機的相電流為相位相差120°的正弦波。該驅動器解決了傳統步進電機低速振動大、有共振區、噪音大等缺點，提高了步距角分辨率和驅動器的可靠性。

步進電機是一種開環伺服運動系統執行元件，以脈沖方式進行控制，輸出角位移。與交流伺服電機及直流伺服電機相比，其突出優點就是價格低廉，并且無積累誤差。但是，步進電機運行存在許多不足之處，如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高等到，又嚴重制約了步進電機的應用范圍。步進電機的運行性能與它的驅動的應用范圍。步進電機的運行性能與它的驅動器有密切的聯系，可以通過驅動技術的改進來克服步進電機的缺點。相對于其他的驅動方式，細分驅動方式不僅可以減小步進電機的步距角，提高分辨庇，而且還可以減小步進電機的步距角，提高分辨率，而且還可以減少或消除低頻振動，使電機運行更加平穩均勻。總體來說，細分驅動的控制效果最好。因為常用低端步進電機伺服系統沒有編碼器反饋，所以隨著電機速度的升高其內部控制電流相應減小，從而造成丟步現象。所以在速度和精度要求不高的領域，其應用非常廣泛。

因為三相混合式步進電機比二相步進電機有更好的低速平穩性及輸出力矩，所以三相混合式步進電機比二相步進電機有更好應用前景。傳統的三相混合式步進電機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來實現三相混合式步進電機的控制。

細分原理

步進電機的細分控制從本質上講是通過對步進電機的定子繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場按某種要求變化，從而實現步進電機步距角的細分。最佳的細分方式是恒轉矩等步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機內產生接近均勻的圓形旋轉磁場，各相繞組的合成磁場矢量，即各相繞組電流的合成矢量應在空間作幅值恒定的旋轉運動，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。

三相混合式步進電機的工作原理十分類似于永磁同步伺服電機。其轉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，所以在轉子上產生的感應電流對轉子磁場的影響可忽略不計。在結構上，它相當于一種多極對數的交流永磁同步電機。由于輸入是三相正弦電流，因此產生的空間磁場呈圓形分布，而且可以用永磁式同步電機的結構模型（見圖1）分析三相混合式步進電機的轉矩特性。為便于分析，可做如下假設：

·電機定子三相繞組完全對稱；

·磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計；

·激磁電流無動態響應過程。

U、V、W為定子上的3個線圈繞組，3個線圈繞組的軸線互差120°。電機單相繞組通電的時候，穩態轉矩可以表達為：

T=f(i，θ)

式中：i為繞組中通過的電流；

θ為電機轉子偏離參考點的角度。

由于磁飽和效應可以忽略不計，并且轉子結構是圓形，其矩角特性為嚴格的正弦，即

T=kIKsin(θ)

式中，k為轉矩常數。

若理想的電流源以恒幅值為I的三相平衡電流iU、iV、iW供給電機繞組，即：

iU=Isin（ωt）

iV =Isin（ωt-2π/3）

iW=Isin（ωt+2π/3）

則電機各相電流產生的穩態轉矩為：

TU=kIsin(θ)

TV=kIsin(θ-2π/3)

TW= kIsin(θ+2π/3)

??? 穩態運行時，θ=ωt，則三相繞組產生的合成轉矩為：

??? T=TU+TV+TW=(3/2)kIsin(π/2-ωt+θ)kI

??? 以上分析表明，對于三相永磁同步電機，當三相繞組輸入三相對稱的正弦電流時，由于在內部產生圓形旋轉磁場，電機的輸出轉矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應用到三相混合式步進電機驅動系統中，輸入的220V交流，經整流后變為直流，再經脈寬調制技術變為三路階梯式正弦波形電流（見圖2），它們按固定時序分別流過三路繞組，其每個階梯對應電機轉動一步。通過改變驅動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉速，而輸出的階梯數確定了每步轉過的角度，當角度越小的時候，那么其階梯數就越多，即細分就越大，從理論上說此角度可以設得足夠的小，所以細分數可以是很大，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系，一般使用的為2500線，所以每一步轉過的角度僅為0.144°（即360/2500），而此方法控制的步進電機，比如其細分數為10000，則每一步轉過的角度為0.036°，所以比一般的伺服控制精度高很多。當然，步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降，通過恒流方式可以使在電機低頻和高頻時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，所以其綜合性能（高、低速噪聲，高速力矩，高速平穩性等）很難趕超交流伺服控制系統。

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，按照電路基本定理，三相電流之和為零。即iU+iV+iW=0。所以通常只需產生兩相繞組的給定信號，第三相繞組的給定信號可由其它兩相求得。同樣，只需要對相應兩相繞組的實際電流進行采樣，第三相繞組的實際電流可根據式求得。

三相混合式步進電機驅動器的系統構成

驅動器的總體方案如圖3所示，主要包括單片機電路、電流追蹤型SPWM電路和功率驅動電路組成。

DSP模塊設計

在這里，筆者選擇了TI公司的DSP作為CPU芯片，DSP（Digital Signal Processor）實際上也是一種單片機，它同樣是將中央處理單元、控制單元和外圍設備集成到一塊芯片上。但它又有自身鮮明的特點——因為采用了多組總線技術實現并行運行的機制，從而大大提高了運算速度，具有更強的運算能力和更好的實時性。本文選用的DSP（TMS320LF2407A）是一款電機控制專用芯片，144引腳，具有豐富的IO資源，含有4個通用定時器，具有兩路專用于控制三相電機的PWM發生器（可產生六路PWM信號），另外還有專用接收外部脈沖和方向的I/O口，從而簡化了電路設計和程序開發。

DSP輸入信號包括步進脈沖信號CP、方向控制信號、脫機信號，過流保護信號。這幾種信號均通過高速光耦連接到DSP的引腳上，另外還有細分步數及電流選擇信號。當脫機信號為有效時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。反饋電流通過DSP自帶的10位模數轉換器（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。

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，實現電機電流控制以及過壓、欠壓、過流保護。驅動器通過采樣電阻檢測步進電機繞組的實際電流，與設定電流相比較后經過滯環比較器調節器，調節器輸出信號經過滯環比較器調節器，調節器輸出信號由20kHz頻率的三角波輸出，形成空間矢量脈寬調制信號（SVPWM），通過功率驅動接口電路來控制大功率半導體器件的導通與關斷，使步進電機的繞組實際電流跟蹤給定參考信號，按給定的正弦規律變化。

功率驅動電路

驅動器的主回路采用交—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電機等組成。整流濾波電路構成直流電壓源，完成200V、50Hz交流電源到直流電源的變換。逆變器實現從直流電到變頻變壓交流電的轉換，為三相混合式步進電機的定子繞組提供要求的交流電流。逆變器由仙童公司生產的六只G30N60B3DMOS管組成，構成三相逆變橋，驅動器采用兩只電阻檢測步進電機相電流的瞬時值。功率驅動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MOS管的過流值和電機峰值線電流的峰值小于MOS管的最大電流值。本設計中電機最大相電流為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，電機繞組在三角形接法時，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。正常工作要求適當的散熱設計保證內部結溫永遠小于150℃，因此要外加散熱器并強制風冷，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造成損失，使用帶電RAM存儲電機位置，保證來電后工件可繼續完成加。并口RAM比傳統使用的E2PROM速度傳輸更快更可靠，可更有效的記錄電機運行狀態，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示出定時中斷流程圖。為減少功耗和保護電機，設置了自動半電流功能（靜態鎖軸或沒有脈沖輸入時電流減半），它由滯環比較器自動進行調節。

性能指標及目前的應用情況

設計后所達到的性能指標：

·輸入交流電壓可為90V~275V；

·輸入信號采用光電隔離；

·采用IGBT為輸出級的功率電子開關；

·SVPWM（正弦空間矢量脈寬調制），三相恒流標準正弦波輸出，三角載波頻率為20kHz；

·自動半電流鎖定；

·斷電保護功能（斷電自動相位記憶功能）；

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

·脫機（FREE）功能；

·噪音低、發熱量小、效率高、運行特性良好；

·本驅動器為單脈沖（P+D）控制模式；

·目前所做的最大細分數為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。

??? 結語

??? 實踐證明本文所講的驅動方法其適應性很強，基本上可以適應所有的三相混合式步進電機。特別對三相繞組星形接法，低頻時運行平穩，無振蕩，有效地抑制了振蕩、噪音。另外，驅動器內部設計多種保護電路，使整個驅動器的可靠性大大提高。