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机械网--三相混合式多细分步进电机驱动器的设计

发布时间:2021-11-18 10:55:48 阅读: 来源:白酒厂家

1、前言步进电机是1种开环伺服运动系统实行元件,以脉冲方式进行控制,输出角位移。与交换伺服电机及直流伺服电机相比,其突出优点就是价格低廉,并且无积累误差。但是养殖场被强拆需要看什么手续,步进电机运行存在许多不足的地方,如低频振荡、噪声大、分辨率不高等,又严重制约了步进电机的利用范围。步进电机的运行性能与它的驱动器有密切的联系,可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。相对其他的驱动方式,细分驱动方式不但可以减小步进电机的步距角,提高分辨率,而且可以减少或消除低频振动,使电机运行更加安稳均匀。整体来说,细分驱动的控制效果最好。由于常常使用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈,所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小,从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域,其利用非常广泛。由于3相混合式步进电机比2相步进电机有更好的低速安稳性及输出力矩,所以3相混合式步进电机比2相步进电机有更好利用前景。传统的3相混合式步进电机控制方法都是以硬件比较器完成,本文主要讲述使用DSP及空间矢量算法SVPWM来实现3相混合式步进电机控制。2、细分原理步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化,从而实现步进电机步距角的细分。最好的细分方式是恒转矩等步距角的细分。1般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场,各相绕组的合成磁场矢量,即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动,这就需要在各相绕相中通以正弦电流。图1 3相永磁同步电机的简单结构模型

3相混合式步进电机的工作原理10分类似于交换永磁同步伺服电机。其转子上所用永磁磁铁1样是具有高磁密特性的稀土永磁材料,所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽视不计。在结构上,它相当于1种多极对数的交换永磁同步电机。由于输入是3相正弦电流,因此产生的空间磁场呈圆形散布,而且可以用永磁式同步电机的结构模型(图1)分析3相混合式步进电机的转矩特性。为便于分析,可做以下假定:a.电机定子3相绕组完全对称;b.磁饱和、涡流及死心消耗忽视不计;c.激磁电流无动态响应进程。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°。电机单相绕组通电的时候,稳态转矩可以表达为:T=f(i,theta) 。其中,i 为绕组中通过的电流;theta为电机转子偏离参考点的角度。由于磁饱和效应可以忽视不计,并且转子结构是圆形,其矩角特性为严格的正弦,即:T=k *I*sin(theta),k 为转矩常数若理想的电流源以恒幅值为I 的3相平衡电流iU、iV、iW 供给电机绕组,即:iU=I*sin(wt)iV=I*sin(wt+2*PI/3)iW =I*sin(wt+4*PI/3)则电机各相电流产生的稳态转矩为: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)稳态运行时,theta=wt,则3相绕组产生的合成转矩为:T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin(PI/2-wt+theta)=3/2*k*I以上分析表明,对3相永磁同步电机,当3相绕组输入相差 120°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。因此,将交换伺服控制原理利用到3相混合式步进电机驱动系统中,输入的220V 交换,经整流后变成直流,再经脉宽调制技术变成3路阶梯式正弦波形电流,它们按固定时序分别流过3路绕组,其每个阶梯对应电机转动1步。通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速,而输出的阶梯数肯定了每步转过的角度,当角度越小的时候,那么其阶梯数就越多,即细分就越大,从理论上说此角度可以设得足够的小,所以细分数可以是很大,而交换伺服控制的每步角度与反馈的编码器的精度有很大的关系,1般使用的为2500线,所以每步转过的角度仅为0.144度,而此方法控制的步进电机,比如其细分数为10000,则每步转过的角度为0.036度,所以比1般的伺服控制精度高很多。固然,步进电机转动时,电机各相绕组的电感将构成1个反向电动势,频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩降落,通过恒流方式可以使在电机低频和高频时保持1样的相电流从而使高频的力矩特性有所改进,这只能是在低速时,所以其综合性能(高低速噪声,高速力矩,高速安稳性等)很难赶超交换伺服控制系统。图2 给出相差120°的3相阶梯式正弦电流

3相混合式步进电机1般把3相绕组连接成星形或3角形,依照电路基本定理,3相电流之和为零。即IU+IV+IW =0 。所以通常只需产生两相绕组的给定信号,第3相绕组的给定信号可由其它两相求得。1样,只需要对相应两相绕组的实际电流进行采样,第3相绕组的实际电流可根据式求得。3、3相混合式步进电机驱动器的系统构成驱动器的整体方案如图3 所示,主要包括单片机电路、电流追踪型SPWM 电路和功率驱动电路组成。图3 驱动器的整体框图

3.1 DSP模块设计在这里,我们选择了TI公司的DSP作为CPU芯片,DSP(Digital Signal Processor)实际上也是1种单片机,它1样是将中央处理单元、控控制单元和外围设备集成到1块芯片上。但它又有本身鲜明的特点——由于采取了多组总线技术实现并行运行的机机制,从而大大提高了运算速度,具有更强的运算能力和更好的实时性。本文选用的DSP(TMS320LF2407A)是1款电机控制专用芯片,144引脚,具有丰富的IO资源,含有4个通用定时器,具有两路专用于控制3相电机的PWM产生器(可产生6路PWM信号),另外还有专用接收外部脉冲和方向的I/O口,从而简化了电路设计和程序开发。DSP输入信号包括步进脉冲信号CP、方向控制信号、脱机信号, 过流保护信号。这几种信号均通太高速光耦连接到DSP的引脚上,另外还有细分步数及电流选择信号。当脱机信号为有效时,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)。反馈电流通过DSP自带的的10 位模数转换器(AD)采样,反馈的电流通过1定的算法后,由DSP自带的PWM口输出控制电机。3.2 电流追踪型回路这类传输方式以模拟电压的幅值代表采样电流或电压的大小,其主要用来采样a,b两相电流及母线电压检测,实现电机电流控制和过压、欠压、过流保护强拆猪场需要符合哪些条件。驱动器通过采样电阻检测步进电机绕组的实际电流,与设定电流相比较后经过滞环比较器调理器,调理器输出信号由20KHz 频率的3角波载波输出,构成脉宽调制信号(PWM),通过功率驱动接口电路来控制大功率半导体器件的导通与关断,使步进电机的绕组实际电流跟踪给定参考信号,按给定的正弦规律变化。3拆迁不给拆迁款怎么办.3 功率驱动电路驱动器的主回路采取交-直-交电压型逆变器情势,由整流滤波电路、3相逆变器和步进电机等组成。整流滤波电路构成直流电压源,完成220V、50Hz 交换电源到直流电源的变换。逆变器实现从直流电到变频变压交换电的转换,为3相混合式步进电机的定子绕组提供要求的交换电流。逆变器由仙童公司生产的6只G30N60B3DMOS管组成,构成3相逆变桥。驱动器采取两只电阻检测步进电机相电流的瞬时值。功率驱动电路的核心是功率模块(MOS管)。MOS管 与电流追踪型PWM 输出之间必须通过专用高速光耦连接。根据MOS管的过流值和电机峰值线电流来选用合适的MOS管,即电机的线电流的峰值小于MOS管的最大电流值。本设计中电机最大相电流为8.1A,该电流是相电流的有效值,峰值相电流为8.1* sqrt(2) = 11.312A 。另外,电机绕组在3角形接法时,线电流是相电流的3 倍,所以线电流峰值为19.6A。由G30N60B3DPDF文档知,其最大流值为30A,故可以保证正常使用,正常工作要求适当的散热设计保证内部结温永久小于150摄氏度,因此要外加散热器并逼迫风冷,以保证MOS管正常工作。3.4 并口通讯为了不在控制进程中停电或其它特别缘由掉电时造成损失,使用带电RAM存储电机位置,保证来电后工件可继续完成加工。并口RAM比传统使用的E2ROM速度传输更快更可靠,可更有效的记录电机运行状态,但占用CPU的I/O口较多,这里CPU有足够的资源可以使用。3.5 控制软件流程图4 主程序流程图

图5 中断部分的流程图

为减少功耗和保护电机,设置了自动半流功能,它由滞环比较器自动进行调理。4、 结论实践证明本文所讲的驱动方法其适应性很强,基本上可以适应所有的3相混合式步进电机。特别对3相绕组星形接法,低频时运行安稳,无振荡,有效地抑制了振荡、噪声。另外,驱动器内部设计多种保护电路,使全部驱动器的可靠性大大提高。(end)资讯分类行业动态帮助文档展会专题报道5金人物商家文章