1、前言
步進(jìn)電機(jī)是一種開(kāi)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?？傮w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。
圖1 三相永磁同步電機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)模型
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。
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)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*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)槿冯A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。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，而此方法控制的步進(jìn)電機(jī)，比如其細(xì)分?jǐn)?shù)為10000，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。
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(kāi)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，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(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
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。
