基于单片机的步进电机细分驱动器设计

发布时间：2009-11-09 作者：陈兴文, 刘燕

        0　引　言
        步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移 的执行机构,步进电机的主要优点是:有较高的定 位精度,无位置累积误差及特有的开环运行机制, 与闭环控制系统相比,可减少系统成本,并提高了 可靠性,在数控领域得到了广泛应用。步进电机 的使用离不开步进电机驱动器,步进电机的运行 性能与步进电机驱动器的优劣密切相关,而且步 进电机和配套驱动器的品种繁多,通用性差。 本文在调研各种驱动技术的基础上,设计实 现了基于电流矢量恒幅均匀旋转和电流追踪型脉 宽调制( PWM)技术的多细分三相混合式步进电 机驱动器。为了满足不同用户和不同电机的要 求,本设计具有多种细分方式和步距角种类,可以 输出不同的相电流。试验表明,驱动器细分运行 时减弱了混合式步进电机的低速振动,电机运转 平稳,大大减轻了噪声。
        1　细分驱动器设计原理
        1. 1　细分驱动方案论证
        通常步进电机细分驱动有等电流细分驱动法 和电流矢量恒幅均匀旋转法。等电流细分驱动法 在每次绕组电流进行切换时,不是将绕组电流全 部通入或切除,而是在一相绕组电流保持不变的 情况下,另一相绕组电流均匀的增大或减小,这样 使得电机的合成磁场只旋转原电角度的一部分, 转子转过的角度也为步距角的一部分,实现了细分驱动。但是等电流法不能实现均匀细分步距 角,而步距角不均匀又容易引起步进电机的振荡 和失步;另外,由于电流矢量的幅值不断改变,输 出力矩的大小也无法保持恒定。
        为了使细分后的步距角均匀一致,且输出力 矩恒定,本设计采用了电流矢量恒幅均匀旋转的 细分驱动方法。该方法在空间上将彼此相差2π/ m 的m 相绕组,分别通以相位相差2π/m 而幅值 相同的正弦电流,则合成的电流矢量(或磁场矢 量)便在空间作旋转运动,且幅值保持不变。这 样每当辐角矢量α的值发生变化时,合成的矢量 都转过一个相应的角度,且幅值大小保持不变,从 而实现恒力矩、均匀步距角的细分驱动。
        1. 2　控制环节设计方案
        根据细分电流原理的分析,驱动器的控制系 统对提高步进电机的运行性能至关重要。驱动器 的控制环节采用电流跟踪型正弦脉宽调制( SP2 WM)方式,由细分信号发生环节、细分控制环节 和PWM环节等组成。将给定信号与电机电流实 测信号相比较,若实际电流值大于给定值,则通过 逆变器开关器件的动作使之减小;反之,则增加。 实际输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形 变化,并将偏差限制在一定范围内;与此同时逆变 器输出的电压波成为PWM波。如果逆变器的开 关器件具有足够高的开关频率,则电机电流就能 很快地调节其幅值和相位,使电机电流得到高品 质的动态控制。
        2　步进电机细分驱动器的设计
        驱动器的总体方案如图1所示,整体上可分 为主回路、控制电路和开关电源三大部分。主回 路部分采用交2直2交电压型逆变电路形式,由整 流滤波电路、三相逆变电路及混合式步进电机等 组成。三相逆变桥电路实现从直流到交流的转 换,为三相混合式步进电机的定子绕组提供要求 的交流电流。三相逆变电路由一块智能功率模块 ( IPM)构成,内部集成了6只绝缘栅双极晶体管 ( IGBT)和相应的保护电路,构成三相逆变桥式电 路。驱动器采用2只霍尔电流传感器检测步进电 机线电流的瞬时值。

        控制电路部分由单片机控制器、比例积分调 节电路、SPWM电路和接口电路组成。单片机根 据电机控制器发来的步进脉冲、方向信号和细分 设置值,发出相位相差的正弦波,与电机绕组反馈 电流相减后再经过比例积分调节器,与三角波进 行电压比较,生成SPWM信号,通过接口电路控 制IPM内的开关,从而使三相混合式步进电机的 绕组电流按正弦规律变化,驱动电机转子运转。 开关电源用来给驱动器内部的控制电路和IPM 的控制侧提供多路电源。下面就总体设计方案中 的核心部分设计进行具体讨论。
        2. 1　单片机控制电路
        单片机需要处理步进脉冲信号(CP) 、方向控 制信号、脱机信号和IPM 的故障信号等输入信 号,这几种信号均通过光耦连接到单片机的引脚 上。另外还有细分步数设置信号。
        在实际运行中,电机绕组电流为阶梯状,正弦 阶梯电流的每一阶与电机的每一步相对应,电机 每转的步数就是每一个周期正弦电流的阶梯数与 电机的磁极对数(转子齿数)的乘积。典型的三 相混合式步进电机转子为50齿,如果一个周期的 正弦阶梯电流阶梯数是20,那么电机的每转步数 为20 ×50 = 1 000步/转。如果用一个8位数模 转换器,理论上可把相电流最大256等分,则电机 的每转最大步数为256 ×50 = 12 800 步/转。本 设计选用的是Philip s公司的P87LPC769单片机, 本身自带8 位D /A。电路工作时,单片机根据 CP、方向信号和当前的细分数设置,从单片机存 储器中取出相应的正弦阶梯波的数字量,写入 DAC寄存器,经过D /A转换后输出正弦阶梯波到 电平转换电路。
        当出现脱机信号时,驱动器输出到电机的电 流被切断,电机转子处于自由状态(脱机状态) 。 电机运行中,单片机收到IPM的故障信号时,要 在1. 8 ms内通过I/O口立即输出封锁信号,使输入IPM的PWM信号无效以保护IPM,等故障排 除后方可重新有效。
        2. 2　电平转换与第三相正弦波合成电路
        由于单片机的数模转换器的输出电压范围是 0～5 V,需要进行电平转换,从0 ～5 V 变换为 - 5～5 V,该电路如图2所示。该电路中运放的 正相输入端接来自单片机输出的正弦波, 即: U + = 2. 5 + 2. 5 sinωt,通过该电路可将正弦波由0 ～5 V变为- 5～5 V。