基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)_圖文

1、 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)3陳興文1,劉燕2(1.大連民族學(xué)院,遼寧大連116600;2.西南交通大學(xué),四川成都610031摘要:在對(duì)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制環(huán)節(jié)研究的基礎(chǔ)上,提出了基于電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)和電流追蹤型脈寬調(diào)制技術(shù),實(shí)現(xiàn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)及硬件電路和驅(qū)動(dòng)軟件的實(shí)現(xiàn)都做了詳細(xì)介紹,通過試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的可靠性和步進(jìn)精度進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足用戶的定位精度要求,有效抑制了運(yùn)行噪聲和機(jī)械振動(dòng)。同時(shí)由于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了恒力矩細(xì)分驅(qū)動(dòng),從而提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了成本,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。關(guān)鍵詞:正弦脈寬調(diào)制;混合式步進(jìn)電機(jī);細(xì)分驅(qū)動(dòng)中

2、圖分類號(hào):T M302T M383.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167326540(20090720030204D esi gn of M i cro 2Stepp i n g D r i ver for Stepper M otor Ba sed on M CUCHEN X ing 2w en 1,L I U Yan2(1.Dalian Nati onalities University,Dalian 116600,China;2.Southwest J iaot ong University,chengdu 610031,China Abstract:W ith researching o

3、f m icr o 2stepp ing driver and contr ol technol ogy for stepper mot or,the current vect oreven r otati on with unifor m amp litude and current tracking P WM technol ogy are p resented .The m icr o 2stepp ing driver f or three 2phase hybrid stepper mot or has been designed .The syste m structure,har

4、d ware circuit and s oft w are driving are intr oduced in detail .The syste m reliability and stepper accuracy are tested by experi m ent .The experi m ents indi 2cate this syste m can meet user accuracy needs and effectively reduce operati on noise and mechanical vibrati on .M ean 2while,the realiz

5、ati on of invariable t orque m icr o 2stepp ing drive technol ogy can effectively reduce the cost,i m p r ove syste m reliability and app licati on .Key words:SP WM;hybr i d stepper m otor;m i cro 2stepp i n g dr i ver3遼寧省教育廳科研基金(20070980引言步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu),步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是:有較高的定位精度,無位置累積誤差及特有的開環(huán)運(yùn)行

6、機(jī)制,與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比,可減少系統(tǒng)成本,并提高了可靠性,在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的使用離不開步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣密切相關(guān),而且步進(jìn)電機(jī)和配套驅(qū)動(dòng)器的品種繁多,通用性差。本文在調(diào)研各種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)和電流追蹤型脈寬調(diào)制(P WM 技術(shù)的多細(xì)分三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。為了滿足不同用戶和不同電機(jī)的要求,本設(shè)計(jì)具有多種細(xì)分方式和步距角種類,可以輸出不同的相電流。試驗(yàn)表明,驅(qū)動(dòng)器細(xì)分運(yùn)行時(shí)減弱了混合式步進(jìn)電機(jī)的低速振動(dòng),電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),大大減輕了噪聲。1細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)原理1.1細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案論證通常步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)有等電

7、流細(xì)分驅(qū)動(dòng)法和電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法。等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)法在每次繞組電流進(jìn)行切換時(shí),不是將繞組電流全部通入或切除,而是在一相繞組電流保持不變的情況下,另一相繞組電流均勻的增大或減小,這樣使得電機(jī)的合成磁場(chǎng)只旋轉(zhuǎn)原電角度的一部分,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度也為步距角的一部分,實(shí)現(xiàn)了細(xì) 分驅(qū)動(dòng)。但是等電流法不能實(shí)現(xiàn)均勻細(xì)分步距角,而步距角不均勻又容易引起步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步;另外,由于電流矢量的幅值不斷改變,輸出力矩的大小也無法保持恒定。為了使細(xì)分后的步距角均勻一致,且輸出力矩恒定,本設(shè)計(jì)采用了電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法。該方法在空間上將彼此相差2/ m的m相繞組,分別通以相位相差2/m而幅值相同的正弦電

8、流,則合成的電流矢量(或磁場(chǎng)矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且幅值保持不變。這樣每當(dāng)輻角矢量的值發(fā)生變化時(shí),合成的矢量都轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度,且幅值大小保持不變,從而實(shí)現(xiàn)恒力矩、均勻步距角的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。1.2控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案根據(jù)細(xì)分電流原理的分析,驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)對(duì)提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)器的控制環(huán)節(jié)采用電流跟蹤型正弦脈寬調(diào)制(SP2 WM方式,由細(xì)分信號(hào)發(fā)生環(huán)節(jié)、細(xì)分控制環(huán)節(jié)和P WM環(huán)節(jié)等組成。將給定信號(hào)與電機(jī)電流實(shí)測(cè)信號(hào)相比較,若實(shí)際電流值大于給定值,則通過逆變器開關(guān)器件的動(dòng)作使之減小;反之,則增加。實(shí)際輸出電流圍繞著給定的正弦波電流作鋸齒形變化,并將偏差限制在一定范圍內(nèi);與此同時(shí)逆變器

9、輸出的電壓波成為P WM波。如果逆變器的開關(guān)器件具有足夠高的開關(guān)頻率,則電機(jī)電流就能很快地調(diào)節(jié)其幅值和相位,使電機(jī)電流得到高品質(zhì)的動(dòng)態(tài)控制。2步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器的總體方案如圖1所示,整體上可分為主回路、控制電路和開關(guān)電源三大部分。主回路部分采用交2直2交電壓型逆變電路形式,由整流濾波電路、三相逆變電路及混合式步進(jìn)電機(jī)等組成。三相逆變橋電路實(shí)現(xiàn)從直流到交流的轉(zhuǎn)換,為三相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子繞組提供要求的交流電流。三相逆變電路由一塊智能功率模塊(I P M構(gòu)成,內(nèi)部集成了6只絕緣柵雙極晶體管(I G BT和相應(yīng)的保護(hù)電路,構(gòu)成三相逆變橋式電路。驅(qū)動(dòng)器采用2只霍爾電流傳感器檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)線

10、電流的瞬時(shí)值?？刂齐娐凡糠钟蓡纹瑱C(jī)控制器、比例積分調(diào)節(jié)電路、SP WM電路和接口電路組成。單片機(jī)根據(jù)電機(jī)控制器發(fā)來的步進(jìn)脈沖、方向信號(hào)和細(xì)分設(shè)置值,發(fā)出相位相差的正弦波,與電機(jī)繞組反饋電流相減后再經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器,與三角波進(jìn)行電壓比較,生成SP WM信號(hào),通過接口電路控制I P M內(nèi)的開關(guān),從而使三相混合式步進(jìn)電機(jī)的繞組電流按正弦規(guī)律變化,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。開關(guān)電源用來給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的控制電路和I P M 的控制側(cè)提供多路電源。下面就總體設(shè)計(jì)方案中的核心部分設(shè)計(jì)進(jìn)行具體討論。圖1細(xì)分驅(qū)動(dòng)器總體框圖2.1單片機(jī)控制電路單片機(jī)需要處理步進(jìn)脈沖信號(hào)(CP、方向控制信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)和I P M的故障信號(hào)

11、等輸入信號(hào),這幾種信號(hào)均通過光耦連接到單片機(jī)的引腳上。另外還有細(xì)分步數(shù)設(shè)置信號(hào)。在實(shí)際運(yùn)行中,電機(jī)繞組電流為階梯狀,正弦階梯電流的每一階與電機(jī)的每一步相對(duì)應(yīng),電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)就是每一個(gè)周期正弦電流的階梯數(shù)與電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù)的乘積。典型的三相混合式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為50齒,如果一個(gè)周期的正弦階梯電流階梯數(shù)是20,那么電機(jī)的每轉(zhuǎn)步數(shù)為20×50=1000步/轉(zhuǎn)。如果用一個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器,理論上可把相電流最大256等分,則電機(jī)的每轉(zhuǎn)最大步數(shù)為256×50=12800步/轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)選用的是Phili p s公司的P87LPC769單片機(jī),本身自帶8位D/A。電路工作時(shí),單片機(jī)根據(jù)

12、CP、方向信號(hào)和當(dāng)前的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置,從單片機(jī)存儲(chǔ)器中取出相應(yīng)的正弦階梯波的數(shù)字量,寫入DAC寄存器,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出正弦階梯波到電平轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)出現(xiàn)脫機(jī)信號(hào)時(shí),驅(qū)動(dòng)器輸出到電機(jī)的電流被切斷,電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)(脫機(jī)狀態(tài)。電機(jī)運(yùn)行中,單片機(jī)收到I P M的故障信號(hào)時(shí),要在1.8m s內(nèi)通過I/O口立即輸出封鎖信號(hào),使輸 入I P M 的P WM 信號(hào)無效以保護(hù)I P M ,等故障排 除后方可重新有效。2.2電平轉(zhuǎn)換與第三相正弦波合成電路由于單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍是05V,需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,從05V 變換為-55V,該電路如圖2所示。該電路中運(yùn)放的正相輸入端接來自單片機(jī)輸出的正弦波,

13、即:U +=2.5+2.5sin t ,通過該電路可將正弦波由05V 變?yōu)?55V。 圖2電平轉(zhuǎn)換電路 三相混合式步進(jìn)電機(jī)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I a +I b +I c =0。單片機(jī)只需要產(chǎn)生二相繞組的給定信號(hào),第三相繞組的給定信號(hào)可根據(jù)其他二相求得,第三相正弦波合成電路見圖3。 圖3第三相正弦波合成電路2.3電流反饋和比例積分電路在本驅(qū)動(dòng)器中,用兩個(gè)霍爾電流傳感器分別測(cè)量三相電機(jī)中二相繞組的實(shí)際電流,第三相繞組的實(shí)際電流也用圖4所示電路產(chǎn)生。選用的霍爾電流傳感器檢測(cè)電流與輸出值之比為5001,電流反饋信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),經(jīng)電壓跟隨

14、器送入比例積分調(diào)節(jié)電路。電壓跟隨器輸出電阻很小,輸入電阻很大,能真實(shí)地將信號(hào)傳遞給負(fù)載,而向信號(hào)源索取的電流極小。比例積分調(diào)節(jié)器可使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快,而其積分調(diào)節(jié)作用又使系統(tǒng)基本無靜差。圖4是電機(jī)一相繞組的電流反饋和比例積分電路,該電路比例放大系數(shù)為R 2/R 1,積分時(shí)間常數(shù)為R 1C 。2.4I P M 接口電路的設(shè)計(jì)從圖5接口可以看出,I P M 通過專用高速光耦與P WM 信號(hào)相連。為了保證I P M 的正常工作,要求同一通道的上下兩臂的控制信號(hào)在導(dǎo)通時(shí)間上有一個(gè)時(shí)間間隔,即“死區(qū)時(shí)間”。本設(shè)計(jì)圖4電流反饋和比例積分電路通過與P WM 信號(hào)相連接的電阻R 和電容C 組成的電路來達(dá)到

15、死區(qū)時(shí)間要求。在I P M 中設(shè)有故障輸出信號(hào)F0,當(dāng)出現(xiàn)欠壓、過熱、過流、短路等任意一種故障時(shí),I P M 內(nèi)部保護(hù)電路都會(huì)關(guān)斷I G 2BT,并使相應(yīng)的輸入信號(hào)無效,并將F0信號(hào)通過光耦連接到單片機(jī)。圖5I P M 接口電路3細(xì)分驅(qū)動(dòng)軟件修正方法利用“電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)”的細(xì)分方法,從原理上解決了實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分方法的技術(shù)問題。但在建立細(xì)分電流波形的數(shù)學(xué)模型時(shí),假設(shè)了:(1矩角特性曲線是正弦曲線;(2多相通電時(shí)的矩角特性曲線可以由各相通電的矩角特性曲線迭加而得;(3電流與力矩具有平方關(guān)系。由此可判斷步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部存在非線性誤差。因此,即使采用了電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分方法,由于電機(jī)繞組電流

16、與合成磁場(chǎng)間非線性的存在,合成的磁場(chǎng)矢量不能跟隨電流矢量旋轉(zhuǎn),按照理想細(xì)分電流模型得到的細(xì)分步距角有一定誤差。為進(jìn)一步減小步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步距角的誤差,提高電機(jī)運(yùn)行精度,在軟件設(shè)計(jì)上采用最小二乘法對(duì)步進(jìn)電機(jī)非線性造成的誤差進(jìn)行了擬合與修正。由于采取的電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法在電機(jī)運(yùn)行時(shí),各繞組電流值同時(shí)改變,所以要擬合出細(xì)分步距角與繞組電流函數(shù)較困難。 經(jīng)過分析可知,繞組在通入電流較小時(shí),磁場(chǎng)處于欠飽和狀態(tài),通入電流較大時(shí),磁場(chǎng)與電流近似成正比。電機(jī)運(yùn)行時(shí),一相繞組電流由零增加至最大值,另一相繞組電流由最大值減小到零。因此可認(rèn)為電流較小的繞組相磁場(chǎng)處于欠飽和,存在非線性,而電流較大的繞組

17、相電流與磁場(chǎng)近似成正比,不存在非線性。為了簡(jiǎn)化問題,采取了分段擬合的方法,即在電機(jī)運(yùn)行的上半程(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度小于0.90°用一相繞組電流進(jìn)行擬合,在電機(jī)運(yùn)行的下半程(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度小于1.80°,大于0.9°用另一相繞組電流進(jìn)行擬合,這樣函數(shù)=f(i1,i2就分為兩部分:=f(i1,0<<0.9°=f(i2,0.9°<<1.8°4驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試借助旋轉(zhuǎn)編碼器,對(duì)電機(jī)細(xì)分設(shè)置為12800步/轉(zhuǎn)和400步/轉(zhuǎn)兩種情況進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)10圈,則旋轉(zhuǎn)編碼器也應(yīng)該轉(zhuǎn)10圈,信號(hào)采集器理論接收1024×

18、10=10240個(gè)脈沖。10次測(cè)試結(jié)果如表1、2所示。從測(cè)試結(jié)果可看出,無論是在無細(xì)分(400步/轉(zhuǎn)和最大細(xì)分下(12800步/轉(zhuǎn),電機(jī)的運(yùn)行都有很高的精度。表1400步/轉(zhuǎn)精度測(cè)試頻率次數(shù)12345678910平均絕對(duì)誤差相對(duì)誤差/%500Hz10242102391023910240102401024110239102391023810238 1.10.01 5KHz10237102371023810239102361023810235102371023910235 2.90.03表212800步/轉(zhuǎn)精度測(cè)試頻率次數(shù)12345678910平均絕對(duì)誤差相對(duì)誤差/%16KHz10241102401023910243102381024110242102421024410242 1.80.02 150KHz10244102401024210239102381024610239102371024210245 2.40.02【參考