三相混合式步进电动机驱动器设计

1、三相混合式步进电动机驱动器设计王胜涛1朱学忠21南京航空航天大学自动化学院,南京2100162南京航空航天大学自动化学院,南京2100161Email :wst3769 2Email :sr摘要本文提出了一种基于PIC16F873单片机的三相混合式步进电动机SPWM 驱动系统,介绍了采用电流跟踪型PWM控制方式下,系统幅值可设定的D /A 转换电路、三角波与正弦波比较控制方式的偏差PWM 发生电路,使混合式步进电机的各相电流接近正弦波,在电机内形成一个幅值基本不变的圆形旋转磁场,从而使具有一般伺服电机的运行性能。关键词步进电动机,正弦波细分,电流跟踪型PWM1.引言混合式步进电机具有驱动电流小

2、、功耗低、转矩体积比大、定位精度和分辨率高等优点,因此,步进电机在工业控制中应用十分广泛。由于步进电机本身结构的限制,转矩输出波动,低频易振荡,这些缺陷都严重地影响了步进电机在性能要求较高的控制系统中的应用。采用SPWM 驱动技术可以大大地改善步进电机的运行品质,减少转矩波动,抑制振荡,降低噪音,提高步距分辨率。本文给出了三相步进电动机正弦波细分驱动系统的实现。2.正弦波细分原理步进电机的细分控制的实质是在步进电机各相绕组的电流切换时,代替原来的绕组电流直接通断的方法,采用只切换绕组电流的一部分,使对应切换相绕组中的电流阶梯地上升到额定值或下降到零,从而产生一系列的假想的磁极对(即新的稳定平衡

3、点,使转子对应的每步运动只为原来的一部分,从而获得从零到最大相电流的多个稳定的中间电流状态;相应的磁场矢量也就存在多个中间状态,这样合成磁场也将有多个稳定的中间状态,转子就沿着这些中间状态以微步距转动。合成磁场矢量的幅值决定了转矩的大小,相邻2条合成磁场矢量的夹角决定了微步距的大小1。步进电机在高度细分运行时需要在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场,各相绕组的合成磁势矢量,即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动,这就需要在各相绕组中通以正弦电流。三相混合式步进电机的三相绕组A 、B 与C 在空间位置上相差120度,给三相绕组分别通以相位相差120度而幅值相同的正弦波电流,如式(1、

4、(2和(3所示,则合成的电流矢量在空间做幅值恒定的旋转运动。(1cos a m i I a=(22c o s (3b m i I a =(34c o s(3c mi I a =合成电流矢量为(以为参考:a i (432jam a b c I I I I I e =+=可见当各相绕组通以正弦电流时,电流矢量可实现幅值恒定的旋转运动,因此采用正弦波细分驱动能够实现步进电机的恒转矩微步运行4。3.系统构成本系统主要有细分正弦波产生环节、PWM 产生电路、功率驱动、逆变桥等模块组成。系统框图如图1。系统中高速单片机根据已设定的细分数值,由脉冲信号确定输出当前值,经D/A 转换,并与实际电流比较,且进行

5、误差放大后再与11kHz 三角波信号比较,产生三相电流跟踪型PWM 信号,经IR2130驱动三相桥式逆变器。本系统运用脉宽调制单片开关集成电源芯片UC3843产生低压±15V 电源,在较大的电源电压范围内(AC110V 250V 内能获得一个稳定可靠的系统电源,从而扩大了系统的应用范围。3.1细分正弦波的产生首先对一个周期的正弦波进行N 步细分,算出正弦值并进行二进制量化处理,由A 、B 两相的相位关系分别确定A 、B 两相的细分正弦波量化数值存入相应的存储空间,单片机根据脉冲输入,查表确定相应步进的正弦波数值并输出,再经模数转换得到阶梯正弦波,即步进电机相电流给定波形2。其中数模转

6、换由TLC7528进行,该芯片有两路8位分辨率的电压型输出D/A 转换,相继转换输出A 、B 两相给定电流和。a I b I 中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会 图1三相混合式步进电机控制系统框图B 相转换电路如图2所示。转换输出电压为:(57(7A ref D FUout V F=式中,D A 为单片机输出的16进制给定电流,根据正弦变化规律在00FFH 范围内变化。V ref 为D/A 转换基准电压。3.2误差计算、放大及PWM 产生本系统采用电流跟踪型PWM 控制方式。由式(6可知道只需采集两相电流3,电路图如图3所示。(60a b c I I I +=图中I A 为A 相给定

7、电流信号,I a 为A 相反馈(实际电流信号,差值即误差信号通过PID 调节后与aA a I I I =固定频率(11kHz 的三角波相比较,产生的PWM 波形控制逆变器相应的开关器件,使实际的输出电流围绕4.试验与结论本系统成本不高,在应用高速单片机和高细分技术,且设计半电流保持功能之后,使三相混合式步进电动机驱动器的性能有了明显的提高,高低频正反转均能平稳运行精确定位,达到了一般伺服系统的运行性能。正常运行时,检测的电机三相电流波形如图5所示,试验表明,在低频、高频时都具有良好的 运行性能。图5每转2000步三相相电流波形参考文献1林波,李兴根.混合式步进电机SPWM 微步驱动技术的研究J.微电机,2000,33(3.2唐爱民,胡金高.单片机控制的正弦波细分三相混合式步进电动机驱动系统J.东南大学学报,2003,33(