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三相混合式步进电机细分器驱动原理

2019-10-15

文中依据正弦电流量细分化驱动器的基本原理,设计方案出三相混合式步进电机细分器驱动控制器,系统软件选用电流量追踪和脉宽调制技术性,使三相混合式步进电机的相电流为位置相距120°的正弦波形,输出功率光耦电路选用六只MOS管。该控制器处理了传统式三相混合式步进电机低速档震动大、有共震区、噪声大等缺陷,提升了步距角像素和控制器的可信性。

摘 要:文中依据正弦电流量细分化驱动器的基本原理,设计方案出三相混合式步进电机细分器驱动控制器,系统软件选用电流量追踪和脉宽调制技术性,使三相混合式步进电机的相电流为位置相距120°的正弦波形,输出功率光耦电路选用六只MOS管。该控制器处理了传统式三相混合式步进电机低速档震动大、有共震区、噪声大等缺陷,提升了步距角像素和控制器的可信性。


 关键字:三相混合式步进电机;细分化驱动器;SVPWM


 1 序言


三相混合式步进电机是这种开环步进电机内分泌系统实行元器件,以单脉冲方法开展操纵,輸出角位移。与直流步进电机及直流步进电机对比,其突显优势就是说质优价廉,而且无累积偏差。可是,步进电机运作存有很多存在的不足,如低频振荡、噪音大、像素不高等学校,又比较严重牵制了步进电机的运用范畴。步进电机的运作特性与它的控制器有紧密的联络,能够根据驱动器技术性的改善来摆脱步进电机的缺陷。相对性于别的的驱动器方法,细分化驱动器方法不但能够减少步进电机的步距角,提升像素,并且能够降低或清除高频震动,使电动机运作更为稳定匀称。总的来说,细分化驱动器的操纵实际效果最(zui)好是。由于常见中低端步进电机步进控制系统沒有步进电机意见反馈,因此随之电动机速率的上升其内控制度电流量相对减少,进而导致丢步状况。因此在速率和精密度规定太低的行业,其运用十分普遍。


 由于三相混合式步进电机比二相混合式步进电机有更强的低速档单位根检验及輸出扭矩,因此三相混合式步进电机比二相混合式步进电机有更强运用市场前景。传统式的三相混合式步进电机控制方式全是以硬件配置比较器进行,文中关键叙述应用DSP及室内空间矢量素材优化算法SVPWM来保持三相混合式步进电机控制。


 2 细分化基本原理


三相混合式步进电机的细分化操纵从实质上讲是根据对步进电机的电机定子绕阻中电流量的操纵,使步进电机內部的生成电磁场按某类规定转变,从而实现步进电机步距角的细分化。最(zui)好的细分化方法是恒转距等步距角的细分化。通常状况下,生成电磁场矢量素材的幅度值决策了电动机转动扭矩的尺寸,邻近两生成电磁场矢量素材的中间的交角尺寸决策了步距角的尺寸。在电动机内造成贴近匀称的环形旋转磁场,各相绕阻的生成电磁场矢量素材,即各相绕阻电流量的生成矢量素材应在室内空间作幅度值稳定的转动健身运动,这就必须在各相绕看中通以正弦电流量。


 三相混合式步进电机的原理非常类似沟通交流永磁同歩交流步进电机。其电机转子上常用永磁磁石一样是具备高磁密特点的永磁材料原材料,因此在电机转子上造成的感应电流对电机转子电磁场的危害可忽略。结构类型,它等于这种多极多数的沟通交流永磁同步电机。因为键入是三相电正弦电流量,因而造成的室内空间电磁场正圆形遍布,并且能够用永磁式同步电机的构造实体模型(图1)剖析三相混合式步进电机的转距特点。


 为有利于剖析,可做以下假定:


 a.电机定子三相电绕阻彻底对称性;


 b.磁饱和状态、涡旋及铁芯耗损忽略;


 c.励磁电流电流量无动态性没有响应全过程。

三相混合式步进电机的简易构造实体模型

 图1 三相混合式步进电机的简易构造实体模型


 U、V、W 为电机定子上的3 个电磁线圈绕阻,3 个电磁线圈绕阻的中(zhong)心线成 120°。电动机单相电绕阻插电的那时候,稳态转距能够表述为:T=f(i,theta) 。在其中,i 为绕阻中根据的电流量;theta为发电机转子偏移机床坐标系的视角。因为磁饱和状态效用能够忽略,而且电机转子构造是环形,其矩角特点为严苛的正弦。


 即:T=k *I*sin(theta),k 为转距常数


 若理想化的电流源以恒幅度值为I 的三相电均衡电流量iU、iV、iW 供求平衡电动机绕阻,


 即:


 iU=I*sin(wt)


 iV=I*sin(wt+2*PI/3)


 iW=I*sin(wt+4*PI/3)


 则三相混合式步进电机各相电流造成的稳态转距为:


 TU=k*I*sin(wt)*sin(theta)


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


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


 稳态运作时,theta=wt,则三相电绕阻造成的生成转距为:


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


 左右分析表明,针对三相混合式步进电机,当三相电绕阻键入相距 120°的正弦电流量时,因为在內部造成环形旋转磁场,电动机的輸出转距为恒值。因而,将沟通交流步进电机操纵基本原理运用到三相混合式步进电机驱动器系统软件中,键入的220V 沟通交流,经整流器后转为直流电,再经脉宽调制技术性转为上中下路阶梯性正弦波形电流量,他们按固定不动时序各自穿过上中下路绕阻,其每一台阶相匹配电动机旋转一歩。根据更改控制器輸出正弦电流量的頻率来更改电机额定功率,而輸出的台阶数明确了每一个掉转的视角,当视角越小的那时候,那麼其台阶数越多多,即细分化越多大,从基础理论上说此视角能够设得充足的小,因此细成绩能够是挺大,而沟通交流步进电机操纵的每一个视角与意见反馈的步进电机的精密度有挺大的关联,通常应用的为2500线,因此每步掉转的视角仅为0.144度,而此方式操纵的步进电机,例如其细成绩为10000,则每步掉转的视角为0.036度,因此比通常的步进电机线性度高许多。或许,步进电机旋转时,电动机各相绕阻的电感器将产生1个反方向电动势,頻率越高,反方向电动势越大。在它的功效下,电动机随頻率(或速率)的扩大而相电流减少,可能会导致扭矩降低,根据恒流方法能够使在电动机高频和高频率时维持一样的相电流进而使高频率的扭矩特点明显改善,这只有是在低速档时,因此其综合型能(高低速档噪音,髙速扭矩,髙速单位根检验等)没办法迎头赶上沟通交流工业机械手。

得出相距120°的三相电阶梯性正弦电流量

 图2 得出相距120°的三相电阶梯性正弦电流量


三相混合式步进电机通常把三相电绕阻组合成星型或是三边形,依照电源电路基础定律,三相电流相加为零。即IU+IV+IW =0 。因此一般只需造成两相绕阻的给出数据信号,最(zui)后相绕阻的给出数据信号可由其他两相求取。一样,只必须对相对两相绕阻的具体电流量开展取样,最(zui)后相绕阻的具体电流量可依据式求取。


 3 三相混合式步进电机控制器的系统软件组成


 控制器的整体方案如图所示3 图示,包括单片机设计电源电路、电流量跟踪型SPWM 电源电路和输出功率光耦电路构成。

控制器的总体框图

 图3 控制器的总体框图


 3.1 DSP控制模块设计方案


 这里,人们挑选了TI企业的DSP做为CPU集成ic,DSP(Digital Signal Processor)事实上都是这种单片机设计,它一样是将中(zhong)央政府处理单元、控操纵模块和外部设备集成化到一块儿集成ic上。但它又有本身独特的特性——由于选用了多个系统总线技术性保持并行处理运作的机体制,进而进一步提高了与运算速率,具备更强的与运算工作能力和更强的实用性。文中采用的DSP(TMS320LF2407A)是一个电机控制专用型集成ic,144脚位,具备丰富多彩的IO資源,带有4个通用性计时器,具备两路口专用型于操纵三相电机的PWM超声波发生器(可造成六路PWM数据信号),另一个也有专用型接受外界单脉冲和方位的I/O口,进而简单化了电路原理和软件开发。


 DSP键入数据信号包含步进电机差分信号CP、方位操纵数据信号、离线数据信号, 过电流保护数据信号。这几类数据信号均根据高速光耦联接到DSP的脚位上,另一个也有细分化计步及电流量挑选数据信号。当离线数据信号为合理时,控制器輸出到电动机的电流量被断开,发电机转子处在随意情况(脱机状态)。意见反馈电流量根据DSP内置的的10 位模数转换器(AD)取样,意见反馈的电流量根据必须的优化算法后,由DSP内置的PWM口輸出操纵三相混合式步进电机。


 3.2 电流量跟踪型控制回路


 这类传输方式以仿真模拟工作电压的幅度值意味着取样电流量或是工作电压的尺寸,其关键用于取样a,b两相电流及母相电压检验,保持电动机电流量操纵及其过电压、欠压、过电流保护。控制器根据采样电阻检验步进电机绕阻的具体电流量,与设置电流量相较为后历经滞环比较器控制器,控制器輸出数据信号由20KHz 頻率的三角波载波輸出,产生脉宽调制数据信号(PWM),根据输出功率驱动器接口电路来操纵功率集成电路工艺的通断与关闭,使三相混合式步进电机的绕阻具体电流量追踪给出参照数据信号,按给出的正弦规律性转变。


 3.3 输出功率光耦电路


 控制器的主控制回路选用交-直-交工作电压型逆变电源方式,由整流器滤波电路、三相电逆变电源及其步进电机等构成。整流器滤波电路组成交流电压源,进行220V、50Hz 交流电到直流稳压电源的转换。逆变电源保持从交流电到直流变频变压交流电流的变换,为三相混合式步进电机的电机定子绕阻出示规定的交流电压。逆变电源由仙童公司生产制造的六只G30N60B3DMOS管构成,组成三相电逆变电源桥。控制器选用二只电阻检测步进电机相电流的瞬时值。


 输出功率光耦电路的关键是输出功率控制模块(MOS管)。MOS管 与电流量跟踪型PWM 輸出中间务必根据专用型高速光耦联接。依据MOS管的过流值和电动机谷值线电流量来采用适合的MOS管,即三相混合式步进电机的线电流量的谷值低于MOS管的较大电流。本设计方案中电动机较大相电流为8.1A,该电流量是相电流的有效值,谷值相电流为8.1* sqrt(2) = 11.312A 。除此之外,三相混合式步进电机绕阻在三角形接法时,线电流量是相电流的3 倍,因此线电流量谷值为19.6A。由G30N60B3DPDF文本文档知,其最(zui)大流数值30A,故能够确保一切正常应用,一切正常工作标准适度的热管散热设计方案确保內部结温终究低于150摄氏,因而要另加热管散热器并强制性风冷式,以确保MOS管一切正常工作中。


 3.4并口通信:


 为了防止在操纵全过程中停电了或是其他非常缘故掉电时导致损害,应用感应起电RAM储存电动机部位,确保拨电话后钢件可再次进行生产加工。并口RAM比传统式应用的E2ROM速率传送迅速更靠谱,可更合理的纪录电动机运作情况,但占有CPU的I/O口较多,这儿CPU有充足的資源能够应用。


 3.5 监控软件步骤


 主程序流程图

主程序流程图

 中断一部分的流程图

中断一部分的流程图

 为降低功率和维护电机,设定了全自动半流作用,它由滞环比较器全自动开展调整。


 4 三相混合式步进电机控制器介绍


 3HB0822M是一个以精准正弦波形电流量輸出操纵三相混合式步进电机的控制器,驱动器工作电压范畴110V-220V均可,合适直径为110、130、150系列产品、驱动电流在10A下列的全部三相混合式步进电机,具备停电了位置记忆力作用,三相混合式步进电机控制器控制面板上的8位拨动开关能够轻轻松松的保持对不一样步进电机电流量及不一样细分化计步的精准操纵(独特的电流量和细分化设定,可按客户规定订制),键入数据信号都历经光学防护,具备较强的抗干扰性,能融入极端自然环境工作中。此外,这款三相混合式步进电机控制器驱动器的步进电机能在很宽的頻率范围之内维持步进电机较大輸出转距不会改变,运作稳定,噪声极低,特别适合大扭距且髙速工作中的场所。


 5 三相混合式步进电机控制器脚位布线图

三相混合式步进电机控制器脚位布线图

 6 三相混合式步进电机控制器的单/双单脉冲、相电流、细成绩设置:


 警示:拨动开关调在“ON”部位时为“1”; 要求可依据客户订制。


 三相混合式步进电机控制器的单/双单脉冲方式设置:

三相混合式步进电机控制器的单/双单脉冲方式设置

 三相混合式步进电机控制器相电流设置:

三相混合式步进电机控制器相电流设置

 三相混合式步进电机控制器细分化拍数设置:


 步进电机控制器细分化设置后步进电机每运作整圈需要的脉冲数相当于电动机自身 的齿数乘于细分化拍数。(注:通常电动机均为50个齿)


 比如:步进电机自身 齿数为50,细成绩设置为12,则这时步进电机运作整圈的脉冲数为:50*12=600个,步距夹角:360°/600=0.6°


 比如:步进电机自身 齿数为50,细成绩设置为40,则这时步进电机运作整圈的脉冲数为:50*40=2000个,步距夹角:360°/2000=0.18°

三相混合式步进电机控制器细分化拍数设置表

 7 三相混合式步进电机控制器硬件配置联接 

三相混合式步进电机控制器信号表

三项混合式步进电机驱动器接线示意图

 8 结论


 实践经验文中所说的驱动器方式 其适应能力很强,大部分能够融入全部的三相混合式步进电机。非常对三相电绕阻星形接法,高频时运作稳定,无震荡,合理地抑止了震荡、噪音。另一个,控制器內部设计方案多种多样维护电源电路,使全部控制器的可信性进一步提高。

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