三相混合式步进电机驱动器设计

三相混合式步进电机驱动器设计

胡静1 丰宋波 2

（1.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070；2.深圳纽科利核电工程有限公司，广东 深圳518124） 摘 要：为了提高三相混合式步进电机低频运行的稳定性、降低系统噪声和振动，设计了采用功率器件和细分技术的驱动器。通过合理选择步进电机相绕组细分电流波形，增加步进电机运行的平稳性，具体的分析了控制电路的设计：电流指令发生器、电流闭环控制器以及故障保护电路。

关键词：混合式步进电动机；驱动器；细分技术

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2010）02-070-04

早期的三相混合式步进电机驱动器是完全由模拟电路实现，硬件电路复杂。随着电机驱动朝着数字化的方向发展，后来出现了数字与模拟

相结合的三相混合式步进电机驱动 器[1]

，随着

高速DSP 的出现，电机控制朝着全数字控制[2]

的方向发展。一方面，由于采用全数字控制，硬件电路相当简单，成本低廉；另一方面，可以利用DSP 运算速度快、精度高和软件编程灵活的特点，采用合适的控制策略，提高驱动器的性能。目前，步进电机驱动系统存在的主要问题之一是低频振荡。步进电机在低速运行时易出现低频振动现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关，低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。本文主要是针对步进电机低频整荡的问题，设计了采用功率器件和细分技术的驱动器。

1 驱动器设计

三相混合式步进电机驱动器系统分为两大部分，一是主回路部分，二是控制回路部分。驱动器结构框图如图1

所示。

图1驱动器结构框图

1.1主回路部分

驱动器的主回路部分采用交直交电压型逆变器形式。由不控整流桥、滤波器、逆变器以及三相混合式步进电动机等组成。不控整流桥和滤波电容器一起构成直流电压源，完成恒频恒压(CFCV)交流电源到直流电源的变换。不控整流桥由功率二极管完成，其中输入为220V、50Hz 交流电，输出直流电压为300V。逆变器实现从直流到变频变压(VFVV)交流的转换，提供所要求的电流给三相混合式步进电机。逆变器由三菱公司生产的20A、1200V 功率模块组成。该模块内部集成了6只IGBT，构成三相全控逆变桥。驱动器采用两只霍尔电流传感器检测步进电动机相电流的瞬时值。 1.2 控制回路部分

驱动器的控制回路部分主要包括电流指令发生器、电流闭环控制器以及故障保护电路三部分。电流指令发生器的输入信号包括脉冲输入信号SP、正反转控制信号U／D、使能控制信号EN 和细分控制信号MIC。另外还有步数选择开关和相电流幅值选择开关，其中，脉冲输入信号可以由CNC 系统或其他控制系统给出，接口采用RS422差动输入方式，这具有传输距离远、抗干扰能力强的优点。电流指令发生器结构图如图2

所示。

图2 电流指令发生器结构图

实际运行中，当三相正弦电流流过步进电动机绕组时，若对正弦电流进行正弦量化控制(如图

3所示)，则函数的每一阶梯与电机的每一步相对应，电机每转的步数就由每一个周期正弦电流的阶梯数和电机的磁极对数决定。虽然从理论上来说电机每一转的步数可以做得比较高，但考虑到实际应用的情况，系统选择了10倍细分功能。步数选择用波段开关设置，通过和细分控制信号的配合，可设置步进电动机的每转步数为200、300、600(无细分)、2000、3000、6000(细分)。相电流选择控制也由波段开关设置，它可以调整步进电动机相电流设置值在1/4～1倍额定电流之间变化。循环计数器采用可编程逻辑器件GAL，两片EPROM 中存放了产生各相电流的正弦量化数据。D/A 转换采用并行输入8位精度的

AD7524。

图3 流入电机绕组的三相阶梯状电流

1.2.1 总电流控制原理

电流控制环节是三相混合式步进电动机恒总流驱动器的关键技术之一，它对步进电机的运行特性及驱动器的可靠性有显著影响。其分为三个部分，第一部分总电流检测部分：图4中R S 为串在主回路的检测电阻。I 0为总电流，V S = R S I 0为检测电阻上的压降，反映总电流的大小。第二部分为低通滤波部分，Rt，Ct 为滤波电阻和电容，V 1= V ref 是与额定总电流对应的基准电压。第三部分是三相混合式步进电动机恒总流驱动器电

流控制环节。V 1为V S

经滤波后的电压信号。V 1> V ref 时, 总电流超过限定值，比较器输出低电平，

立刻对D 触发器清零，使D 触发器输出Q = 0，

关断所有下桥功率管，使绕组电流减小。当V 1

< V ref 时，比较器输出高电平。当恒频同步脉冲上升沿到来时，使D 触发器的输出Q 等于环形分配器产生的逻辑信号。脉冲发生器产生脉冲信号，接到D 触发器的clock 端，用这一脉冲信号检测电流反馈信号和环分信号，使触发器的输出Q 为下桥环分信号K ，用Q 去控制下桥臂功率管的导通和关断，每来一个脉冲检测一次，实质上这是一种恒频逐个脉冲比较的定电流控制电路。

输入到功放桥的总线电流是相电流的合成，在电机的每次状态转换以及在某一状态时的斩波导通和斩波关断过程中，取样电阻上的取样电压都实时在检测总线电流，当取样电压大于参考电压时，电流反馈信号会关断所有下桥臂功率管，这时就会有绕组续流发生，续流电流与相电压方向相反，绕组电感储能向其余绕组回路和电源释放。这意味着总线提供电流减少。当总线电流减小到一定程度，使得取样电阻上的取样电压小于参考电压时，电流反馈信号会使下桥臂的功率管重新开通，电源电压提供的电流增加，总线电流又开始增加，而后重复上述过程。这样总线电流

在电机运行过程中基本保持恒定。

图4 电流控制环节

1.2.2 电流闭环控制

电流闭环控制部分采用模拟运算放大器构成比例调节器(P 方式)。调节器输出信号和三角载波信号比较，生成驱动功率器件开通关断的SPWM 信号，功率器件的开关频率为15kHz。 1.2.3 故障检测及保护电路

为了保证系统安全运行，设计了系统故障检测及保护电路，它主要有故障信号检测电路、故障记忆电路、故障显示等三个部分组成（如图5所示）。其中故障信号检测会对传递来的模拟量和数字量分别进行检测，并各级设定的安全值比较，排列出要解决问题的优先等级，并把相关信息传