三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分器的驅(qū)動(dòng)原理

　　根據(jù)正弦電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的基本原理，設(shè)計(jì)了一種三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器控制器。系統(tǒng)軟件采用電流跟蹤和脈寬調(diào)制技術(shù)，使三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電流為120正弦距離，輸出功率光耦電路采用6個(gè)MOS晶體管。該控制器解決了傳統(tǒng)三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速齒輪振動(dòng)大、共振區(qū)大、噪聲大的缺陷，提高了步距角像素和控制器的可信度。

　　關(guān)鍵詞：三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；空間矢量脈寬調(diào)制

　　1前言

　　三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是這種開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)分泌系統(tǒng)的組成部分，采用單脈沖法工作，輸出角位移。與DC步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DC步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，它的突出優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，無(wú)累積偏差。但step電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中存在低頻振蕩、噪聲大、高校像素低等諸多缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了step電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特性與其控制器密切相關(guān)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)改進(jìn)可以擺脫步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺陷。與其他驅(qū)動(dòng)方法相比，細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法不僅可以減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，提高像素，還可以減少或消除高頻振動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)行更加穩(wěn)定、對(duì)稱。西瑪電機(jī)認(rèn)為，細(xì)分驅(qū)動(dòng)操作的實(shí)際效果是最好的(zui)。普通低端步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)控制系統(tǒng)沒(méi)有來(lái)自步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的反饋，因此隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，其內(nèi)部控制電流相對(duì)減小，導(dǎo)致步進(jìn)損耗。因此，它被廣泛應(yīng)用于速度和精度太低的行業(yè)。

　　由于三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)比兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有更強(qiáng)的下齒輪單元根檢和輸出扭矩，因此三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)比兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有更強(qiáng)的應(yīng)用市場(chǎng)前景。傳統(tǒng)的三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方法都是基于硬件配置比較器。本文重點(diǎn)研究了數(shù)字信號(hào)處理器和空間矢量脈寬調(diào)制這種室內(nèi)空間矢量材料優(yōu)化算法在保持三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用。

　　2細(xì)分的基本原則

　　三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分運(yùn)行本質(zhì)上是基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)定子繞組中電流流動(dòng)的運(yùn)行，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的電磁場(chǎng)按一定規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)角的細(xì)分。最佳(zui)細(xì)分方法是恒轉(zhuǎn)矩等步距角細(xì)分。通常情況下，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)矢量材料的幅值決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩個(gè)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)矢量材料的交角大小決定了步距角的大小。電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)接近對(duì)稱的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，各相繞組產(chǎn)生的電磁場(chǎng)矢量物質(zhì)，即各相繞組電流的矢量物質(zhì)在室內(nèi)空間要做一個(gè)幅度穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)和健身運(yùn)動(dòng)，所以需要看到各相繞組中的正弦電流。三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理與通信交流永磁同步交流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理非常相似。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上常用的永磁體是高磁密永磁體的原材料，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)的危害可以忽略不計(jì)。類型，等于這種多極多數(shù)通信交流永磁同步電動(dòng)機(jī)。由于輸入是三相電正弦電流，室內(nèi)空間的電磁場(chǎng)充滿了圓形，可以用永磁同步電機(jī)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)實(shí)體模型來(lái)分析三相混合式步進(jìn)電機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性(圖1)。

　　為了便于分析，可以做出以下假設(shè)：

　　A.電動(dòng)機(jī)定子三相繞組完全對(duì)稱；

　　B.忽略磁飽和狀態(tài)、渦流和鐵芯損耗；

　　C.整個(gè)過(guò)程勵(lì)磁電流和電流量無(wú)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

　　三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單實(shí)體模型

　　圖1三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單實(shí)體模型

　　u、V、W為中電動(dòng)機(jī)定子三個(gè)電磁線圈的繞組，三個(gè)電磁線圈的繞組中心線為120。當(dāng)電動(dòng)機(jī)單相繞組接通時(shí)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可表示為：T=f(i，)。其中，I為根據(jù)繞組的電流量；是帶有電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子偏移的機(jī)器坐標(biāo)系的視角。由于磁飽和狀態(tài)的效用可以忽略，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是環(huán)形的，其矩角的特點(diǎn)是正弦劇烈。

　　即T=k  * I  * sin()，k為扭矩常數(shù)。

　　如果理想化的電流源用恒定幅值I的三相電流iU、iV和iW的供需平衡電機(jī)繞組，

　　即：

　　iU=I*sin(重量)

　　iV=I*sin(重量比2*PI/3)

　　iW=I*sin(wt  4*PI/3)

　　那么三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相電流引起的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為：

　　TU=k*I*sin(重量)* sin()

　　TV=k  * I  * sin(wt  2 * PI/3)* sin(2 * PI/3)

　　TW=k  * I  * sin(wt  4 * PI/3)* sin(4 * PI/3)

　　在穩(wěn)態(tài)下，=wt，則三相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：

　　t=TU  TV  TW=3/2 * k  * I  * sin(PI/2-wt)=3/2 * k  * I

　　左右分析表明，對(duì)于三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)三相繞組以120的距離用正弦電流鍵控時(shí)，由于內(nèi)部有環(huán)形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是恒定的。因此，通信交流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)操作的基本原理被應(yīng)用于三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件。220V通信交流輸入經(jīng)整流后轉(zhuǎn)換為直流，再通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換為上、中、下通道的步進(jìn)正弦波電流。它們按照固定的時(shí)序分別通過(guò)上、中、下通道的繞組，每一步都與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)相匹配。根據(jù)控制器輸出正弦電流的頻率，改變電動(dòng)機(jī)額定功率，輸出步數(shù)定義每次旋轉(zhuǎn)的視角。視角越小，則步數(shù)越大，即細(xì)分越大。理論上講，這個(gè)視角可以設(shè)置得足夠小，所以精細(xì)評(píng)分可以相當(dāng)大。但是通信步驟電動(dòng)機(jī)操縱的每個(gè)視角都與反饋步驟電動(dòng)機(jī)的精度密切相關(guān)，反饋步驟電動(dòng)機(jī)通常使用2500根導(dǎo)線，因此每個(gè)步驟的視角只有0.144度，而以這種方式操縱的步驟電動(dòng)機(jī)的視角，例如它的精細(xì)評(píng)分是10000，就是0.036度，所以比通常的步驟0x  642線性多了。或許，當(dāng)step電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，頻率越高，反電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電動(dòng)機(jī)的相電流隨著頻率(或速度)的增大而減小，這可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小。根據(jù)恒流方法，可以在電機(jī)的高頻和高頻下保持相同的相電流，從而顯著改善高頻下的轉(zhuǎn)矩特性。這只是在低擋位，所以它的綜合性能(高低擋位噪音、高速扭矩、高速機(jī)組根檢等。)趕不上通訊和通訊工業(yè)機(jī)械手。獲得了距離為120的三相電階躍正弦電流。

　　圖2示出了距離為120的三相電階躍正弦電流。

　　三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常將三相電氣繞組組合成星形或三角形。根據(jù)電源電路的基本定律，三相電流相加為零。即IU  IV  IW=0。因此，一般只需要兩相繞組的給定數(shù)據(jù)信號(hào)，其他兩相就可以得到最(zui)相后繞組的給定數(shù)據(jù)信號(hào)。同樣，只需對(duì)相對(duì)兩相繞組的比電流進(jìn)行采樣，即可根據(jù)公式計(jì)算出最(zui)后相繞組的比電流。

　　三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器的系統(tǒng)軟件組成

　　控制器總體方案如圖3所示，包括單片機(jī)設(shè)計(jì)的電源電路、電流跟蹤SPWM電源電路和輸出功率光耦電路。

　　基于的控制器總體框圖

　　圖3控制器總體框圖

　　3.1 DSP控制模塊設(shè)計(jì)方案

　　在這里，人們選擇TI企業(yè)的DSP作為CPU集成ic。DSP(Digital  Signal  Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)其實(shí)就是這種單片機(jī)設(shè)計(jì)，將中央處理器、控制運(yùn)算模塊和外部設(shè)備集成到一個(gè)鐘集成ic中。然而，它有自己獨(dú)特的特點(diǎn)?！捎谠诩夹g(shù)上選擇了多條系統(tǒng)總線保持并行處理操作，進(jìn)一步提高了and運(yùn)算速度，具有更強(qiáng)的AND運(yùn)算工作能力和更強(qiáng)的實(shí)用性。本文使用的DSP(TMS320LF2407A)是一個(gè)144引腳的電動(dòng)機(jī)控制專用集成ic，IO資源豐富多彩，四個(gè)通用定時(shí)器，一個(gè)雙向?qū)Ｓ肞WM超聲波發(fā)生器，用于操作三相電動(dòng)機(jī)(可產(chǎn)生6個(gè)PWM數(shù)據(jù)信號(hào))，另一個(gè)專用I/O端口，用于接收外部單脈沖和方位，簡(jiǎn)化了電路原理和軟件開(kāi)發(fā)。

　　數(shù)字信號(hào)處理器的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)差分信號(hào)CP、方位控制數(shù)據(jù)信號(hào)、離線數(shù)據(jù)信號(hào)和過(guò)流保護(hù)數(shù)據(jù)信號(hào)。這幾種數(shù)據(jù)信號(hào)都是根據(jù)高速光耦連接到DSP的引腳，另一種還有細(xì)分步數(shù)計(jì)數(shù)和電流選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)離線數(shù)據(jù)信號(hào)合理時(shí)，控制器輸出到電機(jī)的電流被切斷，發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子隨機(jī)(離線狀態(tài))。反饋電流根據(jù)DSP內(nèi)置的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)進(jìn)行采樣。反饋電流按照必要的算法優(yōu)化后，三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由DSP內(nèi)置的PWM口輸出控制。

　　3.2電流跟蹤控制回路這種傳輸是指模擬工作電壓的幅值是指采樣電流或工作電壓的大小，其關(guān)鍵是采樣A、B兩相電流和母線電壓檢查，保持電機(jī)的流量控制及其過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)。根據(jù)采樣電阻，控制器檢查步驟電動(dòng)機(jī)繞組的具體電流。在與設(shè)定電流比較后，它通過(guò)磁滯比較器控制器?？刂破鞯妮敵鰯?shù)據(jù)信號(hào)由頻率為20KHz的三角波載波輸出，產(chǎn)生脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)(PWM)。根據(jù)輸出功率驅(qū)動(dòng)器接口電路，操作功率集成電路過(guò)程導(dǎo)通和關(guān)斷，從而可以跟蹤三相混合階躍電動(dòng)機(jī)的繞組的特定電流，并給出參考數(shù)據(jù)信號(hào)，該參考數(shù)據(jù)信號(hào)根據(jù)給定的正弦規(guī)律進(jìn)行變換。

　　3.3輸出功率光耦合器電路

　　控制器的主控制回路為交流-DC-交流工作電壓逆變電源，由整流濾波電路、三相逆變電源及其步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。整流濾波電路構(gòu)成交流電壓源，將220伏和50赫茲的交流電轉(zhuǎn)換成DC穩(wěn)壓電源。逆變電源保持交流到DC變頻交流電流的轉(zhuǎn)換，并為三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)定子繞組提供規(guī)定的交流電壓。逆變電源由飛兆公司生產(chǎn)的6根G30N60B3DMOS管組成，構(gòu)成三相電動(dòng)逆變電源橋?？刂破鬟x擇兩個(gè)電阻來(lái)檢測(cè)階躍電動(dòng)機(jī)相電流的瞬時(shí)值。

　　輸出功率光耦電路的關(guān)鍵是輸出功率控制模塊(MOS晶體管)。MOS晶體管和電流跟蹤PWM輸出必須按照專用高速光耦連接。根據(jù)MOS管的過(guò)電流值和電機(jī)谷值的線電流，采用合適的MOS管，即三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的線電流谷值低于MOS管的較大電流。在該設(shè)計(jì)方案中，電機(jī)較大的相電流為8.1A，是相電流的有效值，谷值相電流為8.1 8.1* sqrt(2)=11.312A另外，三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組呈三角形連接時(shí)，線電流為相電流的3倍，因此線電流的谷值為19.6A，根據(jù)G30N60B3DPDF的文本文件，其最大(zui)大流量值為30A，因此可以保證所有正常工作標(biāo)準(zhǔn)，適度熱管散熱設(shè)計(jì)方案，保證內(nèi)部結(jié)溫畢竟低于150，所以需要額外加熱散熱器，強(qiáng)制風(fēng)冷，保證MOS管正常工作。

　　3.4并行端口通信：

　　為了防止在整個(gè)操作過(guò)程中因斷電或其他異常原因造成的損壞，感應(yīng)通電RAM用于存放電機(jī)零件，以確保撥打電話后可以再次生產(chǎn)加工鋼鐵零件。并口RAM比傳統(tǒng)的E2ROM速率傳輸更快、更可靠，可以更合理地記錄電機(jī)運(yùn)行情況，但占用CPU更多的I/O口，CPU有足夠的資源應(yīng)用。3.5監(jiān)控軟件的步驟

　　主程序流程圖

　　主程序流程圖

　　中斷部分流程圖

　　中斷部分流程圖

　　為了降低功耗并保持電動(dòng)機(jī)，設(shè)置了全自動(dòng)半電流動(dòng)作，由遲滯比較器完全調(diào)整。

　　四相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器介紹

　　3HB0822M是一款控制器，以精確的正弦電流輸出操作三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)器的工作電壓范圍為110V-220V，適用于所有直徑為110、130、150系列產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電流在10A以下的三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。具有斷電時(shí)位置記憶功能。三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器控制面板上的8位撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，可以輕松保持對(duì)不同步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電流和不同細(xì)分步長(zhǎng)的精確控制(獨(dú)特的電流和細(xì)分設(shè)置可根據(jù)客戶的規(guī)定定制)，輸入數(shù)據(jù)信號(hào)采用光學(xué)保護(hù)，抗干擾性能強(qiáng)，可融入極端自然環(huán)境。此外，這款三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在較寬的頻率范圍內(nèi)保持步進(jìn)電動(dòng)機(jī)較大的輸出扭矩不變，運(yùn)行穩(wěn)定，噪音極低，特別適合大扭矩、高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)所。

　　5相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器引腳接線圖

　　三相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器引腳接線圖

　　6相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器單/雙單脈沖、相電流和優(yōu)良性能的設(shè)置：