步进电动机细分驱动器设计与实现

步进电动机细分驱动器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现 � 陈兴文, 等 中图分类号: TM 383�6� � � � � � 文献标志码: A� � � � � � 文章编号: 1001�6848( 2009) 07�0079�04 步进电动机细分驱动器设计与实现 陈兴文, 刘 � 燕 (大连民族学院 机电信息工程学院, 大连 � 116600) 摘 � 要: 论述了以电流矢量恒幅均匀旋转原理为基础的步进电动机细分驱动技术。设计利用单 片机的 SPWM控制的电流矢量恒幅均匀旋转的细分驱动模式, 并通过软件实现多种细分驱动控 制, 在此基础上为修正误差引入电流反馈环节, 实现了对混合式步进电动机的精确运行控制。实 验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 系统能够满足用户的定位精度要求, 有效地抑制了运行噪声和机械振动。 关键词: 单片机; 步进电动机; 细分驱动; 设计; 实验 Design and Implem entation of StepM otor Subdivision Driver CHEN X ing�wen, L IU Y an ( Dalian Na tiona litiesU niversity, Da lian 116600, Ch ina) Abstract: Analyzed stepmotor subd iv ision drive techno logy based on princ iple of the current vector even rotating w ith uniform amp litude. U sing SPWM controlw ithMCU designed subdiv ision drivemode of cur� rent vecto r even rotat ing w ith un iform amplitude, wh ich can rea lize mu lt i�kinds subdivision series con tro l by sett ing so ftw are data. The current feedback w as a lso adopted to compensate the error and the precise contro l to hybrid motor w as imp lem ented. Experiments ind icate that the system can meet the require� ments o f location prec ision and restrain no ise andm echan ical v ibration effect ive ly. KeyW ords: MCU; Stepmoto r; Subd ivision drive; Design; Experiment � � 收稿日期: 2008�10�13 0� 引 � 言 本文在调研各种驱动技术的基础上, 设计了 基于电流矢量恒幅均匀旋转和电流追踪型脉宽调 制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, 可以输出不同相电流。 实验表明, 驱动器细分运行时减弱了电机的低速 振动, 运转平稳, 大大减小了噪声。 1� 细分技术 步进电机的步距 �b = 360 Z rN ( Z r为齿数, N为拍 数 )。由于受制造 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 的限制, 齿数不能做得很 多, 因此步距角就不可能很小。细分驱动电路在 70年代中期由美国学者首次提出。它是建立在步 进电机的各相绕组理想对称和步距角特性严格正 弦的基础上。它通过控制电动机各相绕组中电流 的大小和比例, 使步距角减小到原来的几分之一至 几十分之一。细分驱动能极大地改善步进电机运 行平稳性。近几年来由于微处理机技术的发展, 细 分技术得到了广泛应用。 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地增大或减小, 这 样电机的合成磁场只旋转原电角度的一部分, 实 现细分驱动。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 2� /m 的 m相绕组, 分别通以相位上相差 2� /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 辐角的矢量 值发生变化时, 合成矢量转过一个 相应的角度, 且幅值大小保持不变, 从而实现了 �79� 微电机 2009年第 42卷第 7期 恒力矩、步距角均匀的细分驱动。 以三相混合式步进电机为例, 三相绕组在空间 位置上相差 2� /3。给三相绕组分别通相位相差 2� /3而幅值相同的正弦波电流, 则合成的电流矢 量在空间做幅值恒定的旋转运动。 I � a= Im sin ( 1) I � b = Im sin( 2� 3 + ) ( 2) I � c = Im sin( 4� 3 + ) ( 3) 则合成的电流矢量为: I � = I � a + I � b e j2� 3 + I � c e j4� 3 = 2 3 Im e j ( � 2 - ) ( 4) 从以上公式分析中可以看出, 合成的电流矢量是 以 2 3 Im为幅值, ( � 2 - )为辐角的矢量。当 值发 生变化时, 合成矢量转过一个相应的角度, 幅值 大小保持不变, 从理论上电流与力矩成正比关系, 因而也就实现了恒力矩、步距角均匀细分驱动。 公式 ( 1) ~ ( 3)即为步进电机细分控制的数学模型, 因此细分只要按公式 ( 1) ~ ( 3)给各相绕组通以电 流即可达到步矩角细分的目的。若把步进电机每 个绕组的正弦电流分成 N 个阶梯, 就实现了 N 细分。 在正弦电流细分具体实施时, 对一个周期的 正弦波 256等分, 也就是取 256个采样点, 算出各 采样点的正弦值, 再将采样值转换成二进制数据, 将此数据存储到单片机, 在存储器中建立一个 256 细分 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 。这是细分的最基础的数据, 其他的细 分级数如 4、 16、 32、 64、 128细分的数据可以按 这个表格间隔的规律取得数据。 2� 细分驱动的 SPWM控制 根据对细分电流原理的分析, 驱动器控制对 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 SPWM方式, 由细分信号 发生环节、细分控制环节和 PWM脉宽调制环节等 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, 则电流就能很快地调节其 幅值和相位, 使电流得到高品质地动态控制。 3� 细分驱动器设计 驱动器的总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如图 1所示, 可分为主回 路、控制电路和开关电源三大部分。主回路采用 交 -直 -交电压型逆变电路形式, 由整流滤波电 路、三相逆变电路和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 IGBT和相应的保护电路。驱动器采 用两只霍尔电流传感器检测步进电机线电流的瞬 时值。 控制电路由单片机控制器、比例积分调节电 路、正弦脉宽调制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, 发出相位差均等的正弦波, 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, 生成正弦脉宽调制信号, 通 过接口电路控制 IPM 模块内的开关, 从而使步进 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 智能功率模块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进行具体讨论。 图 1� 细分驱动器总体框图 3�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= 1000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 �80� 步进电动机细分驱动器设计与实现 � 陈兴文, 等 的每转最大步数为 256 50= 12800步 /转。本设 计选用的是 P87LPC769单片机, 自带 8位 D /A。 电路工作时, 单片机根据步进脉冲 ( 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�8m s内通过 I/O口立即输出封锁信号, 使输入 IPM的脉宽调制信号无效以保护 IPM, 等故障排除 后方可重新有效。 3�2� 电流反馈和比例积分电路 在本驱动器中, 用两个霍尔电流传感器分别 测量三相电机中两相绕组的实际电流, 第三相绕 组的实际电流用图 2所示电路产生。 选用的霍尔电流传感器的检测电流与输出值 之比为 500 !1。电流反馈信号通过电阻转化为电压 信号, 经过电压跟随器送入比例积分调节电路。 电压跟随器的输出电阻很小, 输入电阻很大, 能 真实地将信号传递给负载, 而向信号源索取的电 流极小。 比例积分调节器可以使得系统动态响应速度 较快, 而其积分调节作用又使得系统基本上无静 差。图 2是电机一相绕组的电流反馈和比例积分电 路。该电路的比例放大系数为 R3 /R 2, 积分时间常 数为 R1G。 图 2� 电流反馈和比例积分电路 3�3� IPM接口电路设计 从图 3接口可以看出, IPM模块通过专用高速 光耦与脉宽调制信号相连接。为了保证 IPM模块 的正常工作, 要求同一通道的上下两臂的控制信 号在导通时间上要有一个时间间隔, 即 ∀死区时 间 #。本设计通过与脉宽调制信号相连接的电阻 R4 和电容 C2 组成的电路来达到死区时间要求。在 IPM模块中设有故障输出信号 F0, 当出现欠压、 过热、过流、短路任一种故障, IPM内部保护电路 会关断 IGBT并使相应的输入信号无效, 并将 F0 信号通过光耦连接到单片机。 图 3� IPM 接口电路 4� 软件设计 4�1� 用于电流细分的正弦表建立 由于正弦值的计算较复杂, 对于电流控制这 种实时控制的应用场合, 直接计算不能满足实时 性要求, 因此为了实时性的考虑, 只得以空间为 代价, 将正弦表预先计算好, 保存在存储器内, 当需要某个正弦值时, 只要给出其地址, 就可以 通过查表的方式得到。 为了实现 16级细分, 按照 12 800步 /转和 12 000步 /转建立了两张表。因为电机转子有 50个 齿, 定子磁场旋转一周 (即输出一个正弦波 )转子 转一个齿距, 即 12 800 /50= 256步 /齿, 12 000 /50 = 240步 /齿, 即走完一个正弦波分别需要 256步 和 240步, 所以应该将一个周期正弦波分成 256和 240等份, 即为电机每相建立长度为 256和 240两 个 8位字的正弦细分表。根据电机细分设置的不 同, 查表时分别以不同的整数间隔输出表中的内 容就能实现不同级别的电流细分, 其中 400、 1 600、3 200步 /转的细分以 12 800步 /转的 256细 分表为基础, 每个步进脉冲分别以步长 32、 8、 4 的间隔输出 256细分表的内容。其余细分以 12 000 步 /转的 240细分表为基础输出。 4�2� 软件流程及功能 图 4为软件程序流程图。单片机上电后首先执 行初始化程序, 读取当前的拨码开关的细分数设 定, 然后向定时器 /计数器、数模转换 ( DAC )、比 较器和 I/O口等控制寄存器写入控制字, 使它们按 照要求的方式工作。其中定时器 /计数器 T0设置 为 16位计数器方式, 以中断方式响应步进脉冲; 比较器用来将 IPM的 F0信号与单片机内部参考电 压 1�23 V比较, 低于 1�23 V则 I /O口 PO�O输出 �81� 微电机 2009年第 42卷第 7期 低电平以保护 IPM。还要设置看门狗溢出时间, 以 便程序跑飞时单片机能及时复位。 程序是一个顺序执行的无限循环程序, 每当 有步进脉冲信号输入时, 就会产生 INT0中断。根 据细分设置和方向信号从单片机存储器的正弦表 中查表得到步进电机两相绕组电流对应的正弦值, 将查到的值写入数模转换器的寄存器 DAC0和 DAC1中, 经 D /A转换后输出。 为减少功耗和保护电机, 设置了自动半流功 能。在程序中设置了一个定时器定时。当没有步 进脉冲信号的时间超过设置的时间时, 单片机输 出半流信号, 使电机相电流降为运行的一半, 再 次出现步进信号时, 停止定时, 电机相电流恢复 半流之前的值。 5� 驱动器性能测试 借助旋转编码器对电机细分设置为 12 800步 / 转和 400步 /转两种情况测试。当电机转子转 10 圈, 则旋转编码器也应该转 10圈, 信号采集器理 论接收 1 024 10= 10 240个脉冲。 10次测试结果 如表 1、表 2所示。从测试结果可以看出, 无论是 在无细分 ( 400步 /转 )和最大细分下 ( 12 800步 / 转 ), 电机运行都有很高的精度。 图 4� 软件程序流程图 表 1� 400步 /转精度测试 频率脉 冲个数 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 绝对 误差 相对 误差 % 500H z 10 242 10 239 10 239 10 240 10 240 10 241 10 239 10 239 10 238 10 238 1� 1 0�01 5 kH z 10 237 10 237 10 238 10 239 10 236 10 238 10 235 10 237 10 239 10 235 2� 9 0�03 表 2� 12 800步 /转精度测试 频率脉 冲个数 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 绝对 误差 相对 误差 % 16 kH z 10 241 10 240 10 239 10 243 10 238 10 241 10 242 10 242 10 244 10 242 1� 8 0�02 150 kH z 10 244 10 240 10 242 10 239 10 238 10 246 10 239 10 237 10 242 10 245 2� 4 0�02 参考文献 [ 1] � 陈兴文, 刘燕. 基于单片机控制步进电机细分驱动的实现. 机械设计与制造 [ J] . 2005, 178( 12 ): 91�92. [ 2] � 匡胤, 唐年庆, 魏玉华. 基于单片机的新型步进电机运动控 制器 [ J] . 微计算机信息, 2008, 6( 2 ) : 123�124. [ 3] � 刘闯. 一种基于电压 SVPWM 的三相步进电机细分驱动技术 研究 [ J] . 微电机, 2008, 41( 3 ) : 45�47. [ 4 ] � 孟武胜, 李亮. 基于 AT89C52单片机的步进电机控制系统设 计 [ J] . 微电机, 2007, 40 ( 3) : 64�66. [ 5] � 王涌. 基于空间电流矢量的步进电机 SPWM 细分数字驱动 [ J] . 微电机, 2007, 40 ( 4) : 70�72. [ 6] � 李玲娟, 刘景林, 王灿. 两相混合式步进电机恒转矩细分驱 动技术研究 [ J]. 微电机, 2007, 40( 3) : 48�50. 作者简介: 陈兴文 ( 1969- ) , 男, 教授, 研究方向为计算机 控制技术。 �82�