三相混合式步進電機驅動器維修工作原理

根據正弦電流細分驅動的原理，設計出三相混合式細分型步進電機驅動器，系統采用電流跟蹤和脈寬調制技術，使電機的相電流為相位相差120°的正弦波，功率驅動電路采用IPM模塊(BJ-B3C型步進驅動器)或六只MOS管(BJ-HB3C型步進電機驅動器)。該驅動器解決了傳統步進電機低速振動大、有共振區、噪音大等缺點，提高了步距角分辨率和驅動器的可靠性。

    1、前言

    步進電機是一種開環伺服運動系統執行元件，以脈沖方式進行控制，輸出角位移。與交流伺服電機及直流伺服電機相比，其突出優點就是價格低廉，并且無積累誤差。但是，步進電機運行存在許多不足之處，如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高等，又嚴重制約了步進電機的應用范圍。步進電機的運行性能與它的驅動器有密切的聯系，可以通過驅動技術的改進來克服步進電機的缺點。相對于其他的驅動方式，細分驅動方式不僅可以減小步進電機的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動，使電機運行更加平穩均勻。總體來說，細分驅動的控制效果最hao。因為常用低端步進電機伺服系統沒有編碼器反饋，所以隨著電機速度的升高其內部控制電流相應減小，從而造成丟步現象。所以在速度和精度要求不高的領域，其應用非常廣泛。

    因為三相混合式步進電機比二相步進電機有更好的低速平穩性及輸出力矩，所以三相混合式步進電機比二相步進電機有更好應用前景。傳統的三相混合式步進電機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來實現三相混合式步進電機控制。

    2、細分原理

    步進電機的細分控制從本質上講是通過對步進電機的定子繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場按某種要求變化，從而實現步進電機步距角的細分。最佳的細分方式是恒轉矩等步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機內產生接近均勻的圓形旋轉磁場，各相繞組的合成磁場矢量，即各相繞組電流的合成矢量應在空間作幅值恒定的旋轉運動，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。

    三相混合式步進電機的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機。其轉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，所以在轉子上產生的感應電流對轉子磁場的影響可忽略不計。在結構上，它相當于一種多極對數的交流永磁同步電機。由于輸入是三相正弦電流，因此產生的空間磁場呈圓形分布，而且可以用永磁式同步電機的結構模型(圖1)分析三相混合式步進電機的轉矩特性。為便于分析，可做如下假設：

    a.電機定子三相繞組*對稱；

    b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計；

    c.激磁電流無動態響應過程。

圖1 三相永磁同步電機的簡單結構模型

    U、V、W 為定子上的3 個線圈繞組，3 個線圈繞組的軸線成 120°。電機單相繞組通電的時候，穩態轉矩可以表達為：T=f(i,theta) 。其中，i 為繞組中通過的電流；theta為電機轉子偏離參考點的角度。由于磁飽和效應可以忽略不計，并且轉子結構是圓形，其矩角特性為嚴格的正弦，

    即：T=k *I*sin（theta），k 為轉矩常數

    若理想的電流源以恒幅值為I 的三相平衡電流iU、iV、iW 供給電機繞組，即：

    iU=I*sin(wt)

    iV=I*sin(wt+2*PI/3)

    iW =I*sin(wt+4*PI/3)

    則電機各相電流產生的穩態轉矩為：

    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)

    穩態運行時，theta=wt，則三相繞組產生的合成轉矩為：

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

    以上分析表明，對于三相永磁同步電機，當三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時，由于在內部產生圓形旋轉磁場，電機的輸出轉矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應用到三相混合式步進電機驅動系統中，輸入的220V 交流，經整流后變為直流，再經脈寬調制技術變為三路階梯式正弦波形電流，它們按固定時序分別流過三路繞組，其每個階梯對應電機轉動一步。通過改變驅動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉速，而輸出的階梯數確定了每步轉過的角度，當角度越小的時候，那么其階梯數就越多，即細分就越大，從理論上說此角度可以設得足夠的小，所以細分數可以是很大，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系，一般使用的為2500線，所以每一步轉過的角度僅為0.144度，而此方法控制的步進電機，比如其細分數為10000，則每一步轉過的角度為0.036度，所以比一般的伺服控制精度高很多。當然，步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降，通過恒流方式可以使在電機低頻和高頻時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，所以其綜合性能（高低速噪聲，高速力矩，高速平穩性等）很難趕超交流伺服控制系統。

圖2 給出相差120°的三相階梯式正弦電流

    三相混合式步進電機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 。所以通常只需產生兩相繞組的給定信號，第三相繞組的給定信號可由其它兩相求得。同樣，只需要對相應兩相繞組的實際電流進行采樣，第三相繞組的實際電流可根據式求得。

    3、三相混合式步進電機驅動器的系統構成

    驅動器的總體方案如圖3 所示，主要包括單片機電路、電流追蹤型SPWM 電路和功率驅動電路組成。

圖3 驅動器的整體框圖

    3.1 DSP模塊設計

    在這里，我們選擇了TI公司的DSP作為CPU芯片，DSP（Digital Signal Processor）實際上也是一種單片機，它同樣是將中央處理單元、控控制單元和外圍設備集成到一塊芯片上。但它又有自身鮮明的特點——因為采用了多組總線技術實現并行運行的機機制，從而大大提高了運算速度，具有更強的運算能力和更好的實時性。本文選用的DSP（TMS320LF2407A）是一款電機控制專用芯片，144引腳，具有豐富的IO資源，含有四個通用定時器，具有兩路專用于控制三相電機的PWM發生器（可產生六路PWM信號），另外還有專用接收外部脈沖和方向的I/O口，從而簡化了電路設計和程序開發。

    DSP輸入信號包括步進脈沖信號CP、方向控制信號、脫機信號， 過流保護信號。這幾種信號均通過高速光耦連接到DSP的引腳上，另外還有細分步數及電流選擇信號。當脫機信號為有效時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。反饋電流通過DSP自帶的的10 位模數轉換器（AD）采樣，反饋的電流通過一定的算法后，由DSP自帶的PWM口輸出控制電機。