新型三相混合式步进电机驱动器

1、新型三相混合式步进电机驱动器Novel Three-phases Hybrid Stepper Motor Drivert易长松摘要:本文分析了新型三相混合式步进电动机的转矩控制特性。介绍了采用IGB T功率器件和细分技术设计研制的驱动器。这种驱动器改善了步进电动机的运行工况,获得了和一般伺服系统相当的控制性能。关键词:三相混合式步进电动机驱动器细分Abstract:Torque control character i stic of a novel three-phases hybrid stepper motor is analyzed.A driver is designed using

2、 power device IGBT and adop ting subdivide method.The runni ng state of stepper motor is i mproved apparently.Control performance the same as servo system can be achieved.Key words:three-phases hybrid stepper motor driver subdivision1前言步进电动机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机。它的主要优点是,具有较高的定位精度,无位置积累误差,并且特有的开环运行机制。这大

3、大减少系统成本,可以获得接近闭环控制的良好性能。但是,步进电动机运行工况存在许多不足之处,如低频振荡、噪声大、分辨率不高、驱动系统可靠性差等,又严重制约了步进电动机的应用范围。因此,在许多要求较高的应用场合只能采用伺服电机,这又会增加系统的成本和结构复杂性。为此,出现了各种旨在提高步进电动机驱动性能的措施,如细分技术的采用拓宽了步进电动机的应用范围。然而,一般的混合式步进电动机在结构上存在固有的问题,如空间磁场的非圆性分布,使得电机矩角特性很难满足输出转矩线性化的要求。即使采用细分控制,细分步距角与步进电动机的转子机械位置也很难保持线性,输出的转矩波动很大,定位精度也不容易保证。目前出现的新型

4、三相混合式步进电动机,结合了二相和五相混合式步进电动机的优点,在结构上采用特殊的机械设计。其输入为三相正弦信号,工作平稳,几乎完全没有振动,是一种性能非常优越的电机。本文介绍了一种采用IGB T功率器件的新型电流闭环脉宽调制(PW M三相混合式步进电动机驱动电源,它展现了非常好的控制性能。2三相混合式步进电动机特性分析三相混合式步进电动机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电动机。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料,所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上,它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流,因此产生的空间磁场呈圆形分布,而

5、且可以以永磁式同步电动机的结构模型分析三相混合式步进电动机的转矩特性。为便于分析,可做如下假设:(1饱和效应忽略不计;(2磁滞电流及涡流损耗不计;(3激磁电流无动态响应过程。图1示出了三相永磁同步电动机的简单结构模型。U、V、W为定子上的3个线圈绕组,3个线圈绕组的轴线成120b。电机单相绕组通电的时候,稳态转矩可以表达为T=f(i,H,其中,i为绕组中通过的电流;H电机转子偏离参考点的角度。 图1 永磁同步电动机结构图由于磁饱和效应可以忽略不计,并且转子结构是圆筒形,其功角特性为严格的正弦,即T =k #i #sin H若理想的电流源以恒幅值为I 的三相平衡电流i u 、i v 、i w 供

6、给电枢绕组,即i u =I #sin X ti u =I #sin (X t +2P /3i u =I #sin (X t +4P /3则电机各相电流产生的稳态转矩为:T u =kI #sin X t #sin H AT u =kI #sin (X t +2P /3#sin (H A +2P /3T u =kI #sin (X t +4P /3#sin (H A +4P /3稳态运行时,H =X t,则三相绕组产生的合成转矩为:T =T u +T v +T w =K c #I以上分析表明,对于三相永磁同步电动机,当三相绕组通入相差120b 的正弦电流时,由于在内部产生圆形旋转磁场,电机的输出转

7、矩为恒值。同时可以看出,因为采用了类似三相永磁式同步电动机的结构和控制方式,三相混合式步进电动机产生的空间磁势不再是二相或五相混合式步进电动机的脉动磁场,从而具有了类似于交流伺服电机的运行特性,这为改善步电动机驱动系统的控制性能提供了保证。3 三相混合式步进电机驱动器系统结构三相混合式步进电动机驱动器系统框图如图2所示,驱动系统由以功率半导体器件组成的主 回路和逻辑器件组成的控制电路构成。图2 驱动器结构框图(1主回路部分驱动器的主回路采用交直交电压型逆变器形式,由不控整流桥、滤波器、逆变器以及步进电动机等组成。不控整流桥和滤波电容器一起构成直流电压源,完成恒频恒压(C FC V交流电源到直流

8、电源的变换。不控整流由功率二极管完成,其中输入为220V 、50Hz 交流电,输出直流电压为300V 。逆变器实现从直流电到变频变压(VFVV交流电的转换,为三相混合式步进电动机的定子绕组提供要求的交流电流。逆变器由三菱公司生产的20A 、1200V 功率模块组成。该模块内部集成了6只IGB T,构成三相全控逆变桥。驱动器采用两只霍尔电流传感器检测步进电动机相电流的瞬时值。(2控制电路部分驱动器的控制部分由3部分组成:电流指令发生器、电流闭环控制器以及故障保护电路。电流指令发生器的结构如图3所示,其输入信号包括输入的步进脉冲信号SP 、正反转控制信号U/D 、使能控制信号E N 和细分控制信号

9、MIC,另外还有步数选择开关和相电流幅值选择开关。其中,输入信号可以由CNC 系统或其他控制系统给出,接口采用RS422差动输入方式,这具有传输距离远、抗干扰能力强的优点。 图3 电流指令发生器结构图在实际运行中,当三相正弦电流双向流过步 图4 流入电机绕组的三相阶梯状电流进电动机绕组时,若对正弦电流进行阶梯函数控制(如图4所示,则阶梯函数的每一阶与电动机的每一步相对应,电机每转的步数就由每一个周期正弦电流的阶梯数和电机的磁极对数决定。虽然从理论上电机每一转的步数可以做到很高,但考虑到实际应用的情况,系统选择了10倍细分功能。步数选择用波段开关设置,通过和细分控制信号的配合,可设置步进电动机的

10、每转步数为200、300、600(无细分、2000、3000、6000(细分。相电流选择控制也由波段开关设置,它可以调整步进电动机相电流设置值在1/41倍额定电流之间变化。循环计数器采用可编程逻辑器件GAL,两片E PROM 中存放了产生各相电流的正弦量化数据。D/A 转换采用并行输入8位精度的AD7524。电流闭环控制部分采用模拟运算放大器构成比例调节器(P 方式。调节器输出信号和三角载波信号比较,生成驱动功率器件开通关断的SP -W M 信号,功率器件的开关频率为15kHz 。为了保证系统安全运行,设计了如图5所示的系统故障检测及保护电路,其保护功能如下:图5 故障检测及保护逻辑1直流过电

11、压。当主电路的母线直流电压高于某特定值时,会危及功率器件、电机以及滤波电容器的安全。因此直流电压过高时,设计了直流过电压保护电路。2熔断器熔断保护当熔断器因故熔断时,驱动器显示故障报警。3控制电源欠压。控制电源电压过低,会引起控制信号紊乱,驱动器有可能发生误动作。为此设计了欠压保护,在欠压故障发生时,停止步进电动机驱动器工作,以保护逆变器功率器件。4短路过电流当逆变器的桥路中通过了较大的电流或者驱动器的输出引线发生短路时,应采取适当的方式关断IGB T 工作,这种保护由驱动模块EXB840实现。 另外,在系统进入真正运行前,为确保逆变器功率器件的安全,驱动器的上电初始状态将封锁所有逆变器开关信

12、号。一旦接收到使能控制信号,封锁信号即被解除,控制系统才可以进入工作状态。当有故障发生时,故障继电器断开,可以保护主电路的安全。4 系统测试结果和结论为了检验所研制生产的三相混合式步进电动机驱动器的控制性能,这里将驱动器和华中科技大学电机厂研制的110B TG350A 型三相混合式步进电动机(额定电压300V 、额定电流411A 、最大力矩8N #m进行了配接测试,测量的矩频特性如图6所示。系统的测试结果表明,和以往的步进电动机驱动器相比,三相混合式步进电动机驱动器性能有了明显的提高,低频运行非常平稳,系统最低转速可达到011r/min,最高转速1500r/min,指令输入频率最高为150kH

13、z,正反转均能稳定运行。由于采用高开关功率器件和细分技术,系统噪声和振动大大降低,达到了一般伺服系统的运行性能。图6 8N #m 步时电动机的矩频特性曲线参考文献1 钱昱明,侯惠芳.步进电机可变细分SP WM 运行方法.微特电机,1995(5:27292 毛希祥,金念祖.数字式脉宽调制在步进电机驱动中的应用.微特电机,1988(2:2427特电机,1993(1:3033.t 易长松 工程师,1986年毕业于原华中理工大学自动控制系,现工作于华中科技大学电力工程系。未来十年是我国微电子产业发展的关键时期信息产业部部长吴基传在近日举行的海峡两岸信息技术与微电子产业发展研讨会上强调,未来10年是我国

14、发展微电子产业的关键时期,我国将把微电子产业作为重中之重,优先扶植发展。吴基传说,在新的世纪里,经济全球化和信息网络化的步伐进一步加快,以微电子、计算机、通信和网络技术为代表的信息技术,是现代科技进步中发展最快、渗透性最强、应用性最广的关键技术。它的广泛应用,使信息成为重要的生产要素和战略资源,成为推动世界经济发展的动力。大力发展信息技术和信息产业,加快推进国民经济和社会信息化,已成为世界各国科技、经济、军事和政治竞争的焦点,成为各国综合国力较量的一个重要方面。吴基传指出,微电子是信息技术的核心和基础,是世界高科技竞争的热点之一。随着信息化的不断推进,微电子技术在社会、经济、乃至人民生活各个领域中的应用越来越广泛,对改造传统产业、带动工业化发展起着至关重要的作用。目前,我国微电子产业已具备一定的发展基础,芯片生成技术达到8英寸0135微米水平,形成了由7个芯片生产骨干企业、十几个封装厂、几十家设计公司、若干个关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体,在地域上呈现相对集中的趋势,即主要分布在苏浙沪、京津和粤闽地区。吴基传强调,要清醒地看到,目前我国微电子产业无论是技术水平还是产业规模,都相对滞后。加快微电子产业发展,已经成为整个信息产业发展的当务之