三相混合式步进电机细分驱动器的设计
2015-12-02
(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州310018)
0 引 言
步进电机具有控制简单、成本低、无累积误差和定位精度高等优点，在工控领域中应用十分广泛[1]。但步进电机受生产制造技术的限制，转子齿数不可能做得很多，故每走一步转过的角度比较大，电机运行不够平缓。采用细分驱动技术，可以减小每走一步的角度，运动效果大大提高[2]。结合细分控制理论的发展，针对步进电机转动时出现的不平稳现象，本文设计了一种以PIC 单片机为控制核心的细分驱动系统，最终输出平滑地三相交流电，有效降低了步进电机的运行噪音。
1 细分原理
步进电机的细分方法是通过给各相绕组通以电流，让它规律性地发生变化，从而在原有电机的基础上，减小每次走过的角度，达到工作平稳的目的[3-4]。
三相混合式步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，本文均以星形连接为例，空间结构如图1所示。假设各相电流按照如下给定:
图1 三相绕组结构图
故分别以正弦波电流通过各相励磁绕组时，合成的磁动势矢量将以固定幅值均匀旋转，步进电机微步运行。
图2 电流矢量合成图
2 系统实现
2.1 硬件方案
三相混合式步进电机细分驱动器系统硬件框图如图3所示。
图3 系统硬件框图
本系统为交—直—交电路，由80 220 V 交流供电，整流滤波后再配合开关电源为系统提供了稳定的直流电压。微控制器选用MICROCHIP 公司的PIC16F723，将脉冲信号和方向信号配置为捕捉输入引脚，最大分辨率为12.5 ns，并通过光耦隔离提高控制信号的抗干扰能力。系统采用电流跟踪型PWM控制方式，输出电流信号紧跟参考电压信号，形成电流反馈的闭环系统，并实现双极恒相流细分驱动。同时还设计了过压、过流保护电路，对系统进行实时监测。一旦母线电压超过360 V DC 或者总输出电流超过15 A时停止工作，确保驱动器安全稳定运行。
2.1.1 电流检测电路
检测电机绕组电流并将其转化成电压信号，方便电路比较处理，实现闭环控制，电路如图4所示。采用线性电流传感器ACS712T 将A 相电流信号IfbA以185 mV/A的灵敏度转换成相应的电压值，再通过运算电路，同时调节运放同相输入端电压，便可得到与电流信号幅值成一定比例的反馈电压信号VfbA。步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，三相绕组电流和为零。故只要检测出A 相和C相电流，B 相可由运算得出[5]。
2.1.2 PWM 生成电路
PWM 生成电路[6]如图5所示，A 相反馈电压信号VfbA与参考电压信号VrefA经过P 调节生成误差电压信号VdifA。误差信号作为调制信号，与固定频率的三角波载波信号相比较生成脉宽调制信号PWM_A，其他两相电路类似。单路脉宽调制信号再转换成两路互补的PWM 信号，通过三相桥驱动芯片IR2136S 来控制逆变器中IGBT的开关状态，使其不断地开与关来获得想要的电流。如果反馈电压小于给定的参考电压，那么得到的比较值大于零，经过后续电路将增大输出电流;相反，如果反馈电压大于给定的参考电压，那么将减小输出电流。故绕组电流能快速输出三相正弦波，使电机平稳运行。
图4 电流检测电路
图5 PWM 生成电路
2.2 软件方案
2.2.1 主程序
系统软件主要包括主程序和中断服务程序。主程序流程图如图6所示，主要初始化系统和配置寄存器，等待电源电压趋于稳定。并确定细分数(400 30 000步/转)，半流是否有效，单/双脉冲模式选择，然后打开中断进入死循环，等待中断发生。其中，脉冲、方向信号分别配置为单片机的捕捉1和捕捉2 引脚。
图6 主程序流程图
图7 中断服务程序流程图
2.2.2 中断服务程序
中断服务程序是软件设计中的关键，程序的大部分时间花在中断处理上，程序流程图如图7所示。它主要判断脉冲和方向信号的输入，从而确定电机旋转方向。捕捉1 中断产生时，根据脉冲与方向信号的输入情况来确定电机正转与反转;捕捉2 中断发生时，直接进行反转处理。若设置为半流有效，如果在1 ms 之内没有脉冲信号输入，电机相电流输出减半，减少电源功率损耗，延长使用寿命，下一个脉冲信号输入时则恢复到以前的运行状态。
3 实验结果及分析
本系统以130BYG350CH型号的三相混合式步进电机为实验对象，电机参数如下:转子齿数50 齿，基本步距角1.2°，静态相电流6 A，相电阻1.75 Ω，相电感14.6 mH，保持转矩23 N·m，转动惯量0.002 5 kg·m2。设定驱动器的细分数为2 000步/转，驱动电流为6 A，空载下输入步进脉冲f =2 kHz时，两相反馈电压信号如图8所示。
图8 两相反馈电压波形图
从电压波形可以看出，两相绕组电流比较平滑，信号频率和幅值基本相同，相位互差120°，十分接近正弦波。同时细分数设置越大，输出相电流越接近正弦波，电机运行越平稳。细分数不变时，改变输入脉冲频率便可改变相电流周期，从而改变电机转速;改变驱动电流，便可改变输出幅值，从而改变电机带动负载能力。
4 结束语
本设计的三相混合式步进电机细分驱动器具有宽电压输入提高电网环境适应度，单/双脉冲模式可选，自动半电流，过压、过流保护功能，16种细分模式(最高可达30 000步/转)，最大输出驱动电流有效值6 A/相等特点。系统总体硬件成本低，控制简单，运行状态良好，具有较大的工程应用价值。引入细分控制的方法，输出相电流接近正弦波，提高了步进电机的转动性能和减少了噪音。为进一步提高驱动器的控制性能，可以采用DSP 芯片作为主控单元，实现步进电机的数字化控制。
[1]钟宇明.全数字三相混合式步进电动机驱动系统[D].武汉:华中科技大学，2004:1-6.
[2]张文超，雷瑛，吴勤勤.步进电机PWM 恒转矩细分驱动技术研究[J].机械制造，2003，41(6):33-34.
[3]林伟杰，李兴根，潘安克.三相混合式步进电机正弦波细分驱动的研究[J].中小型电机，2003，30(5):26-28.
[4]王胜涛.三相混合式步进电动机驱动器的研制[D].南京:南京航空航天大学，2009:21-27.
[5]武迪，赵继敏，蒋鹏.基于电流跟踪型PWM技术的数字式步进电机细分驱动技术[J].电工技术，2009，(8):66-68.
[6]刘霜，李兴根.新型三相步进电机细分驱动器设计[J].轻工机械，2013，31(4):60-63.
