三相混合式步進電動機細分器的驅動原理

　　根據(jù)正弦電流細分驅動器的基本原理，設計了一種三相混合步進電動機細分驅動器控制器。系統(tǒng)軟件采用電流跟蹤和脈寬調制技術，使三相混合步進電動機的相電流為120正弦距離，輸出功率光耦電路采用6個MOS晶體管。該控制器解決了傳統(tǒng)三相混合式步進電動機低速齒輪振動大、共振區(qū)大、噪聲大的缺陷，提高了步距角像素和控制器的可信度。

　　關鍵詞：三相混合步進電動機；細分驅動；空間矢量脈寬調制

　　1前言

　　三相混合步進電動機是這種開環(huán)步進電動機內分泌系統(tǒng)的組成部分，采用單脈沖法工作，輸出角位移。與DC步進電動機和DC步進電動機相比，它的突出優(yōu)點是質優(yōu)價廉，無累積偏差。但step電動機在運行中存在低頻振蕩、噪聲大、高校像素低等諸多缺點，嚴重制約了step電動機的應用范圍。步進電動機的工作特性與其控制器密切相關，根據(jù)驅動器的技術改進可以擺脫步進電動機的缺陷。與其他驅動方法相比，細分驅動方法不僅可以減小步進電動機的步距角，提高像素，還可以減少或消除高頻振動，使電機運行更加穩(wěn)定、對稱。西瑪電機認為，細分驅動操作的實際效果是最好的(zui)。普通低端步進電動機步進控制系統(tǒng)沒有來自步進電動機的反饋，因此隨著電機轉速的提高，其內部控制電流相對減小，導致步進損耗。因此，它被廣泛應用于速度和精度太低的行業(yè)。

　　由于三相混合式步進電動機比兩相混合式步進電動機具有更強的下齒輪單元根檢和輸出扭矩，因此三相混合式步進電動機比兩相混合式步進電動機具有更強的應用市場前景。傳統(tǒng)的三相混合步進電動機控制方法都是基于硬件配置比較器。本文重點研究了數(shù)字信號處理器和空間矢量脈寬調制這種室內空間矢量材料優(yōu)化算法在保持三相混合步進電動機控制中的應用。

　　2細分的基本原則

　　三相混合式步進電動機的細分運行本質上是基于步進電動機的電動機定子繞組中電流流動的運行，使步進電動機內部產(chǎn)生的電磁場按一定規(guī)律變化，從而實現(xiàn)步進電動機步進角的細分。最佳(zui)細分方法是恒轉矩等步距角細分。通常情況下，產(chǎn)生的電磁場矢量材料的幅值決定了電機旋轉力矩的大小，相鄰兩個產(chǎn)生的電磁場矢量材料的交角大小決定了步距角的大小。電機內部產(chǎn)生一個接近對稱的圓形旋轉磁場，各相繞組產(chǎn)生的電磁場矢量物質，即各相繞組電流的矢量物質在室內空間要做一個幅度穩(wěn)定的旋轉和健身運動，所以需要看到各相繞組中的正弦電流。三相混合步進電動機的原理與通信交流永磁同步交流步進電動機的原理非常相似。電動機轉子上常用的永磁體是高磁密永磁體的原材料，因此電動機轉子上的感應電流對電動機轉子電磁場的危害可以忽略不計。類型，等于這種多極多數(shù)通信交流永磁同步電動機。由于輸入是三相電正弦電流，室內空間的電磁場充滿了圓形，可以用永磁同步電機電動機的結構實體模型來分析三相混合式步進電機電動機的轉矩特性(圖1)。

　　為了便于分析，可以做出以下假設：

　　A.電動機定子三相繞組完全對稱；

　　B.忽略磁飽和狀態(tài)、渦流和鐵芯損耗；

　　C.整個過程勵磁電流和電流量無動態(tài)響應。

　　三相混合步進電動機的簡單實體模型

　　圖1三相混合步進電動機的簡單實體模型

　　u、V、W為中電動機定子三個電磁線圈的繞組，三個電磁線圈的繞組中心線為120。當電動機單相繞組接通時，穩(wěn)態(tài)轉矩可表示為：T=f(i，)。其中，I為根據(jù)繞組的電流量；是帶有電動機轉子偏移的機器坐標系的視角。由于磁飽和狀態(tài)的效用可以忽略，而電動機轉子結構是環(huán)形的，其矩角的特點是正弦劇烈。

　　即T=k  * I  * sin()，k為扭矩常數(shù)。

　　如果理想化的電流源用恒定幅值I的三相電流iU、iV和iW的供需平衡電機繞組，

　　即：

　　iU=I*sin(重量)

　　iV=I*sin(重量比2*PI/3)

　　iW=I*sin(wt  4*PI/3)

　　那么三相混合式步進電動機各相電流引起的穩(wěn)態(tài)轉矩為：

　　TU=k*I*sin(重量)* sin()

　　TV=k  * I  * sin(wt  2 * PI/3)* sin(2 * PI/3)

　　TW=k  * I  * sin(wt  4 * PI/3)* sin(4 * PI/3)

　　在穩(wěn)態(tài)下，=wt，則三相繞組產(chǎn)生的轉矩為：

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

　　左右分析表明，對于三相混合步進電動機，當三相繞組以120的距離用正弦電流鍵控時，由于內部有環(huán)形旋轉磁場，電機的輸出轉矩是恒定的。因此，通信交流步進電動機操作的基本原理被應用于三相混合步進電動機驅動系統(tǒng)軟件。220V通信交流輸入經(jīng)整流后轉換為直流，再通過脈寬調制技術轉換為上、中、下通道的步進正弦波電流。它們按照固定的時序分別通過上、中、下通道的繞組，每一步都與電機的轉動相匹配。根據(jù)控制器輸出正弦電流的頻率，改變電動機額定功率，輸出步數(shù)定義每次旋轉的視角。視角越小，則步數(shù)越大，即細分越大。理論上講，這個視角可以設置得足夠小，所以精細評分可以相當大。但是通信步驟電動機操縱的每個視角都與反饋步驟電動機的精度密切相關，反饋步驟電動機通常使用2500根導線，因此每個步驟的視角只有0.144度，而以這種方式操縱的步驟電動機的視角，例如它的精細評分是10000，就是0.036度，所以比通常的步驟0x  642線性多了。或許，當step電動機旋轉時，電機各相繞組的電感會產(chǎn)生反電動勢，頻率越高，反電動勢越大。在它的作用下，電動機的相電流隨著頻率(或速度)的增大而減小，這可能導致轉矩的減小。根據(jù)恒流方法，可以在電機的高頻和高頻下保持相同的相電流，從而顯著改善高頻下的轉矩特性。這只是在低擋位，所以它的綜合性能(高低擋位噪音、高速扭矩、高速機組根檢等。)趕不上通訊和通訊工業(yè)機械手。獲得了距離為120的三相電階躍正弦電流。

　　圖2示出了距離為120的三相電階躍正弦電流。

　　三相混合步進電動機通常將三相電氣繞組組合成星形或三角形。根據(jù)電源電路的基本定律，三相電流相加為零。即IU  IV  IW=0。因此，一般只需要兩相繞組的給定數(shù)據(jù)信號，其他兩相就可以得到最(zui)相后繞組的給定數(shù)據(jù)信號。同樣，只需對相對兩相繞組的比電流進行采樣，即可根據(jù)公式計算出最(zui)后相繞組的比電流。

　　三相混合步進電動機控制器的系統(tǒng)軟件組成

　　控制器總體方案如圖3所示，包括單片機設計的電源電路、電流跟蹤SPWM電源電路和輸出功率光耦電路。

　　基于的控制器總體框圖

　　圖3控制器總體框圖

　　3.1 DSP控制模塊設計方案

　　在這里，人們選擇TI企業(yè)的DSP作為CPU集成ic。DSP(Digital  Signal  Processor，數(shù)字信號處理器)其實就是這種單片機設計，將中央處理器、控制運算模塊和外部設備集成到一個鐘集成ic中。然而，它有自己獨特的特點?！?，由于在技術上選擇了多條系統(tǒng)總線保持并行處理操作，進一步提高了and運算速度，具有更強的AND運算工作能力和更強的實用性。本文使用的DSP(TMS320LF2407A)是一個144引腳的電動機控制專用集成ic，IO資源豐富多彩，四個通用定時器，一個雙向專用PWM超聲波發(fā)生器，用于操作三相電動機(可產(chǎn)生6個PWM數(shù)據(jù)信號)，另一個專用I/O端口，用于接收外部單脈沖和方位，簡化了電路原理和軟件開發(fā)。

　　數(shù)字信號處理器的輸入數(shù)據(jù)信號包括步進電動機差分信號CP、方位控制數(shù)據(jù)信號、離線數(shù)據(jù)信號和過流保護數(shù)據(jù)信號。這幾種數(shù)據(jù)信號都是根據(jù)高速光耦連接到DSP的引腳，另一種還有細分步數(shù)計數(shù)和電流選擇的數(shù)據(jù)信號。當離線數(shù)據(jù)信號合理時，控制器輸出到電機的電流被切斷，發(fā)電機電動機轉子隨機(離線狀態(tài))。反饋電流根據(jù)DSP內置的10位模數(shù)轉換器(AD)進行采樣。反饋電流按照必要的算法優(yōu)化后，三相混合步進電動機由DSP內置的PWM口輸出控制。

　　3.2電流跟蹤控制回路這種傳輸是指模擬工作電壓的幅值是指采樣電流或工作電壓的大小，其關鍵是采樣A、B兩相電流和母線電壓檢查，保持電機的流量控制及其過壓、欠壓、過流保護。根據(jù)采樣電阻，控制器檢查步驟電動機繞組的具體電流。在與設定電流比較后，它通過磁滯比較器控制器?？刂破鞯妮敵鰯?shù)據(jù)信號由頻率為20KHz的三角波載波輸出，產(chǎn)生脈寬調制數(shù)據(jù)信號(PWM)。根據(jù)輸出功率驅動器接口電路，操作功率集成電路過程導通和關斷，從而可以跟蹤三相混合階躍電動機的繞組的特定電流，并給出參考數(shù)據(jù)信號，該參考數(shù)據(jù)信號根據(jù)給定的正弦規(guī)律進行變換。

　　3.3輸出功率光耦合器電路

　　控制器的主控制回路為交流-DC-交流工作電壓逆變電源，由整流濾波電路、三相逆變電源及其步進電動機組成。整流濾波電路構成交流電壓源，將220伏和50赫茲的交流電轉換成DC穩(wěn)壓電源。逆變電源保持交流到DC變頻交流電流的轉換，并為三相混合步進電動機的電動機定子繞組提供規(guī)定的交流電壓。逆變電源由飛兆公司生產(chǎn)的6根G30N60B3DMOS管組成，構成三相電動逆變電源橋?？刂破鬟x擇兩個電阻來檢測階躍電動機相電流的瞬時值。

　　輸出功率光耦電路的關鍵是輸出功率控制模塊(MOS晶體管)。MOS晶體管和電流跟蹤PWM輸出必須按照專用高速光耦連接。根據(jù)MOS管的過電流值和電機谷值的線電流，采用合適的MOS管，即三相混合步進電動機的線電流谷值低于MOS管的較大電流。在該設計方案中，電機較大的相電流為8.1A，是相電流的有效值，谷值相電流為8.1 8.1* sqrt(2)=11.312A另外，三相混合式步進電動機的繞組呈三角形連接時，線電流為相電流的3倍，因此線電流的谷值為19.6A，根據(jù)G30N60B3DPDF的文本文件，其最大(zui)大流量值為30A，因此可以保證所有正常工作標準，適度熱管散熱設計方案，保證內部結溫畢竟低于150，所以需要額外加熱散熱器，強制風冷，保證MOS管正常工作。

　　3.4并行端口通信：

　　為了防止在整個操作過程中因斷電或其他異常原因造成的損壞，感應通電RAM用于存放電機零件，以確保撥打電話后可以再次生產(chǎn)加工鋼鐵零件。并口RAM比傳統(tǒng)的E2ROM速率傳輸更快、更可靠，可以更合理地記錄電機運行情況，但占用CPU更多的I/O口，CPU有足夠的資源應用。3.5監(jiān)控軟件的步驟

　　主程序流程圖

　　主程序流程圖

　　中斷部分流程圖

　　中斷部分流程圖

　　為了降低功耗并保持電動機，設置了全自動半電流動作，由遲滯比較器完全調整。

　　四相混合步進電動機控制器介紹

　　3HB0822M是一款控制器，以精確的正弦電流輸出操作三相混合步進電動機。驅動器的工作電壓范圍為110V-220V，適用于所有直徑為110、130、150系列產(chǎn)品，驅動電流在10A以下的三相混合步進電動機。具有斷電時位置記憶功能。三相混合式步進電動機控制器控制面板上的8位撥動開關，可以輕松保持對不同步進電動機電流和不同細分步長的精確控制(獨特的電流和細分設置可根據(jù)客戶的規(guī)定定制)，輸入數(shù)據(jù)信號采用光學保護，抗干擾性能強，可融入極端自然環(huán)境。此外，這款三相混合式步進電動機控制器驅動器的步進電動機可以在較寬的頻率范圍內保持步進電動機較大的輸出扭矩不變，運行穩(wěn)定，噪音極低，特別適合大扭矩、高轉速的場所。

　　5相混合步進電動機控制器引腳接線圖

　　三相混合步進電動機控制器引腳接線圖

　　6相混合步進電動機控制器單/雙單脈沖、相電流和優(yōu)良性能的設置：