三相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動器B3C的工作原理
根據(jù)正弦電流細(xì)分驅(qū)動的原理，設(shè)計出三相混合式細(xì)分型步進(jìn)電機驅(qū)動器，系統(tǒng)采用電流跟蹤和脈寬調(diào)制技術(shù)，使電機的相電流為相位相差120°的正弦波，功率驅(qū)動電路采用IPM模塊(BJ-B3C型步進(jìn)驅(qū)動器)或六只MOS管(BJ-HB3C型步進(jìn)電機驅(qū)動器)。該驅(qū)動器解決了傳統(tǒng)步進(jìn)電機低速振動大、有共振區(qū)、噪音大等缺點，提高了步距角分辨率和驅(qū)動器的可靠性。
    1、前言
    步進(jìn)電機是一種開環(huán)伺服運動系統(tǒng)執(zhí)行元件，以脈沖方式進(jìn)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(yōu)點就是價格低廉，并且無積累誤差。但是，步進(jìn)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(yán)重制約了步進(jìn)電機的應(yīng)用范圍。步進(jìn)電機的運行性能與它的驅(qū)動器有密切的聯(lián)系，可以通過驅(qū)動技術(shù)的改進(jìn)來克服步進(jìn)電機的缺點。相對于其他的驅(qū)動方式，細(xì)分驅(qū)動方式不僅可以減小步進(jìn)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(wěn)均勻。總體來說，細(xì)分驅(qū)動的控制效果最好。因為常用低端步進(jìn)電機伺服系統(tǒng)沒有編碼器反饋，所以隨著電機速度的升高其內(nèi)部控制電流相應(yīng)減小，從而造成丟步現(xiàn)象。所以在速度和精度要求不高的領(lǐng)域，其應(yīng)用非常廣泛。
    因為三相混合式步進(jìn)電機比二相步進(jìn)電機有更好的低速平穩(wěn)性及輸出力矩，所以三相混合式步進(jìn)電機比二相步進(jìn)電機有更好應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的三相混合式步進(jìn)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(xiàn)三相混合式步進(jìn)電機控制。
    2、細(xì)分原理
    步進(jìn)電機的細(xì)分控制從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機的定子繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機內(nèi)部的合成磁場按某種要求變化，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機步距角的細(xì)分。最佳的細(xì)分方式是恒轉(zhuǎn)矩等步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉(zhuǎn)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(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)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(yīng)在空間作幅值恒定的旋轉(zhuǎn)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(jìn)電機的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機。其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對轉(zhuǎn)子磁場的影響可忽略不計。在結(jié)構(gòu)上，它相當(dāng)于一種多極對數(shù)的交流永磁同步電機。由于輸入是三相正弦電流，因此產(chǎn)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(jié)構(gòu)模型(圖1)分析三相混合式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)矩特性。為便于分析，可做如下假設(shè)：
    a.電機定子三相繞組完全對稱；
    b.磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計；
    c.激磁電流無動態(tài)響應(yīng)過程。
 
圖1 三相永磁同步電機的簡單結(jié)構(gòu)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(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為：T=f(i,theta) 。其中，i 為繞組中通過的電流；theta為電機轉(zhuǎn)子偏離參考點的角度。由于磁飽和效應(yīng)可以忽略不計，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是圓形，其矩角特性為嚴(yán)格的正弦，
    即：T=k *I*sin（theta），k 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)
    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(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)運行時，theta=wt，則三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)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(dāng)三相繞組輸入相差 120°的正弦電流時，由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電機的輸出轉(zhuǎn)矩為恒值。因此，將交流伺服控制原理應(yīng)用到三相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)中，輸入的220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)脈寬調(diào)制技術(shù)變?yōu)槿冯A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(yīng)電機轉(zhuǎn)動一步。通過改變驅(qū)動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，而輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過的角度，當(dāng)角度越小的時候，那么其階梯數(shù)就越多，即細(xì)分就越大，從理論上說此角度可以設(shè)得足夠的小，所以細(xì)分?jǐn)?shù)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(guān)系，一般使用的為2500線，所以每一步轉(zhuǎn)過的角度僅為0.144度，而此方法控制的步進(jìn)電機，比如其細(xì)分?jǐn)?shù)為10000，則每一步轉(zhuǎn)過的角度為0.036度，所以比一般的伺服控制精度高很多。當(dāng)然，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)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(dǎo)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(wěn)性等）很難趕超交流伺服控制系統(tǒng)。
 
圖2 給出相差120°的三相階梯式正弦電流
    三相混合式步進(jìn)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(chǎn)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(yīng)兩相繞組的實際電流進(jìn)行采樣，第三相繞組的實際電流可根據(jù)式求得。
    3、三相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動器的系統(tǒng)構(gòu)成
    驅(qū)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(qū)動電路組成。
 
圖3 驅(qū)動器的整體框圖
    3.1 DSP模塊設(shè)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(shè)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(shù)實現(xiàn)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(fā)生器（可產(chǎn)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(shè)計和程序開發(fā)。
    DSP輸入信號包括步進(jìn)脈沖信號CP、方向控制信號、脫機信號， 過流保護(hù)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(xì)分步數(shù)及電流選擇信號。當(dāng)脫機信號為有效時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。反饋電流通過DSP自帶的的10 位模數(shù)轉(zhuǎn)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。