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1、新型三相混合式步进电机驱动器 Novel Three- phases Hybrid Stepper Motor Driver t 易长松 摘 要: 本文分析了新型三相混合式步进电动机的转矩控制特性。介绍了采用 IGBT 功率器件和细分技 术设计研制的驱动器。这种驱动器改善了步进电动机的运行工况, 获得了和一般伺服系统相当的控制性能。 关键词: 三相混合式步进电动机 驱动器 细分 Abstract: Torque control characteristic of a novel three -phases hybrid stepper motor is analyzed. A driver i
2、s designed using power device IGBT and adopting subdivide method. The running state of stepper motor is improved apparently. Control performance the same as servo system can be achieved. Key words: three -phases hybrid stepper motor driver subdivision 1 前言 步进电动机是工业控制中应用十分广泛的一 种电动机。它的主要优点是, 具有较高的定位精
3、度, 无位置积累误差, 并且特有的开环运行机制。 这大大减少系统成本, 可以获得接近闭环控制的 良好性能。但是, 步进电动机运行工况存在许多 不足之处, 如低频振荡、 噪声大、 分辨率不高、 驱动 系统可靠性差等, 又严重制约了步进电动机的应 用范围。因此, 在许多要求较高的应用场合只能 采用伺服电机, 这又会增加系统的成本和结构复 杂性。为此, 出现了各种旨在提高步进电动机驱 动性能的措施, 如细分技术的采用拓宽了步进电 动机的应用范围。然而, 一般的混合式步进电动 机在结构上存在固有的问题, 如空间磁场的非圆 性分布, 使得电机矩角特性很难满足输出转矩线 性化的要求。即使采用细分控制, 细
4、分步距角与 步进电动机的转子机械位置也很难保持线性, 输 出的转矩波动很大,定位精度也不容易保证。目 前出现的新型三相混合式步进电动机,结合了二 相和五相混合式步进电动机的优点, 在结构上采 用特殊的机械设计。其输入为三相正弦信号, 工 作平稳,几乎完全没有振动,是一种性能非常优 越的电机。本文介绍了一种采用 IGBT 功率器件 的新型电流闭环脉宽调制( PWM) 三相混合式步 进电动机驱动电源,它展现了非常好的控制 性能。 2 三相混合式步进电动机特性分析 三相混合式步进电动机的工作原理十分类似 于交流永磁同步伺服电动机。其转子上所用永磁 磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料, 所 以在转
5、子上产生的感应电流对转子磁场的影响可 忽略不计。在结构上, 它相当于一种多极对数的 交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流, 因此产生的空间磁场呈圆形分布, 而且可以以永 磁式同步电动机的结构模型分析三相混合式步进 电动机的转矩特性。为便于分析, 可做如下假设: ( 1) 饱和效应忽略不计; ( 2) 磁滞电流及涡流损耗不计; ( 3) 激磁电流无动态响应过程。 图1 示出了三相永磁同步电动机的简单结构 模型。U、 V、 W 为定子上的 3个线圈绕组, 3 个线 圈绕组的轴线成 120 b。电机单相绕组通电的时 候, 稳态转矩可以表达为 T = f ( i, H), 其中, i 为绕组中通过
6、的电流; H电机转子偏离参 考点的角度。 30 机电一体化 Mechatronics 2001年第 6 期 图 1 永磁同步电动机结构图 由于磁饱和效应可以忽略不计, 并且转子结 构是圆筒形, 其功角特性为严格的正弦, 即 T= k#i#sinH 若理想的电流源以恒幅值为 I 的三相平衡电 流 iu、 iv、 iw供给电枢绕组, 即 iu= I#sinX t iu= I#sin( Xt+ 2P/ 3) iu= I#sin( Xt+ 4P/ 3) 则电机各相电流产生的稳态转矩为: Tu= kI#sinXt#sinHA Tu= kI#sin( Xt+ 2P / 3)#sin( HA+ 2P / 3
7、) Tu= kI#sin( Xt+ 4P / 3)#sin( HA+ 4P / 3) 稳态运行时,H = Xt,则三相绕组产生的合成转 矩为: T = Tu+ Tv+ Tw= Kc#I 以上分析表明, 对于三相永磁同步电动机, 当 三相绕组通入相差 120b的正弦电流时, 由于在内 部产生圆形旋转磁场, 电机的输出转矩为恒值。 同时可以看出, 因为采用了类似三相永磁式同步 电动机的结构和控制方式, 三相混合式步进电动 机产生的空间磁势不再是二相或五相混合式步进 电动机的脉动磁场, 从而具有了类似于交流伺服 电机的运行特性, 这为改善步电动机驱动系统的 控制性能提供了保证。 3 三相混合式步进电
8、机驱动器系统结构 三相混合式步进电动机驱动器系统框图如图 2 所示, 驱动系统由以功率半导体器件组成的主 回路和逻辑器件组成的控制电路构成。 图 2 驱动器结构框图 ( 1) 主回路部分 驱动器的主回路采用交 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。逆变器实现从直流电到变频变压( VFVV) 交流电的转换, 为三相混合式步进电动机的定子 绕组提供要求的
9、交流电流。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。 ( 2) 控制电路部分 驱动器的控制部分由 3 部分组成: 电流指令 发生器、 电流闭环控制器以及故障保护电路。电 流指令发生器的结构如图 3 所示, 其输入信号包 括输入的步进脉冲信号 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, 输入信号可以由 CNC 系统或其他控制系统给 31 新型三相混合式步进电机驱动器 出
10、, 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。 图 3 电流指令发生器结构图 在实际运行中, 当三相正弦电流双向流过步 图 4 流入电机绕组的三相阶梯状电流 进电动机绕组时, 若对正弦电流进行阶梯函数控 制( 如图 4所示) , 则阶梯函数的每一阶与电动机 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 然从理论上电机每一转的步数可以做到很高, 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
11、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。 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 SP - WM 信号, 功率器件的开关频率为 15kHz。 为了保证系统安全运行, 设计了如图 5 所示 的系统故障检测及保护电路, 其保护功能如
12、下: 图 5 故障检测及保护逻辑 1) 直流过电压。 当主电路的母线直流电压高于某特定值时, 会危及功率器件、 电机以及滤波电容器的安全。 因此直流电压过高时,设计了直流过电压保护 电路。 2) 熔断器熔断保护 当熔断器因故熔断时, 驱动器显示故障报警。 3) 控制电源欠压。 控制电源电压过低, 会引起控制信号紊乱, 驱 动器有可能发生误动作。为此设计了欠压保护, 在欠压故障发生时, 停止步进电动机驱动器工作, 以保护逆变器功率器件。 4) 短路过电流 当逆变器的桥路中通过了较大的电流或者驱 动器的输出引线发生短路时,应采取适当的方式 关断 IGBT 工作,这种保护由驱动模块 EXB840 实
13、现。 32 机电一体化 Mechatronics 2001年第 6 期 另外, 在系统进入真正运行前, 为确保逆变器 功率器件的安全, 驱动器的上电初始状态将封锁 所有逆变器开关信号。一旦接收到使能控制信 号, 封锁信号即被解除, 控制系统才可以进入工作 状态。当有故障发生时, 故障继电器断开, 可以保 护主电路的安全。 4 系统测试结果和结论 为了检验所研制生产的三相混合式步进电动 机驱动器的控制性能, 这里将驱动器和华中科技 大学电机厂研制的 110BTG350A 型三相混合式步 进电动机( 额定电压 300V、 额定电流 411A、 最大力 矩8N#m) 进行了配接测试, 测量的矩频特性
14、如图 6 所示。系统的测试结果表明, 和以往的步进电 动机驱动器相比, 三相混合式步进电动机驱动器 性能有了明显的提高, 低频运行非常平稳, 系统最 低转速可达到 011r/min, 最高转速 1500r/ min, 指 令输入频率最高为 150kHz, 正反转均能稳定运 行。由于采用高开关功率器件和细分技术, 系统 噪声和振动大大降低, 达到了一般伺服系统的运 行性能。 图 6 8N#m 步时电动机的矩频特性曲线 参 考 文 献 1 钱昱明, 侯惠芳. 步进电机可变细分 SPWM 运行方法. 微特电 机, 1995( 5) : 27 29 2 毛希祥, 金念祖. 数字式脉宽调制在步进电机驱动
15、中的应用. 微特电机,1988( 2) :24 27 3 罗东辉, 陆培庆, 江胜. 步进电机高精度细分驱动器的研究. 微 特电机, 1993( 1) :30 33. t易长松 工程师, 1986 年毕业于原华中理工大学自动 控制系, 现工作于华中科技大学电力工程系。 未来十年是我国微电子产业发展的关键时期 信息产业部部长吴基传在近日举行的海峡两岸信息 技术与微电子产业发展研讨会上强调, 未来 10 年是我国 发展微电子产业的关键时期, 我国将把微电子产业作为重 中之重, 优先扶植发展。 吴基传说, 在新的世纪里, 经济全球化和信息网络化 的步伐进一步加快, 以微电子、 计算机、 通信和网络技
16、术为 代表的信息技术, 是现代科技进步中发展最快、 渗透性最 强、 应用性最广的关键技术。它的广泛应用, 使信息成为 重要的生产要素和战略资源, 成为推动世界经济发展的动 力。大力发展信息技术和信息产业, 加快推进国民经济和 社会信息化, 已成为世界各国科技、 经济、 军事和政治竞争 的焦点, 成为各国综合国力较量的一个重要方面。 吴基传指出, 微电子是信息技术的核心和基础, 是世 界高科技竞争的热点之一。随着信息化的不断推进, 微电 子技术在社会、 经济、 乃至人民生活各个领域中的应用越 来越广泛, 对改造传统产业、 带动工业化发展起着至关重 要的作用。目前, 我国微电子产业已具备一定的发展基 础, 芯片生成技术达到 8 英寸 0135 微米水平, 形成了由 7 个芯片生产骨干企业、 十几个封装厂、 几十家设计公司、 若 干个关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体, 在 地域上呈现相对集中的趋势, 即主要分布在苏浙沪、 京津 和粤闽地区。 吴基传强调, 要清醒地看到, 目前我国微电子产业无 论是技术水平还是产业规模, 都相对滞后。加快微电子产 业发展, 已经成为整个信
