步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)

1、1.1 引言 步進(jìn)電動機(jī)一般以開環(huán)運(yùn)行方式工作在伺服運(yùn)動系統(tǒng)中，它以脈沖信號進(jìn)行控制，將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或線位移。步進(jìn)電動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信號的變換，是自動控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件。由于其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制容易并且無累積誤差，因而在 20世紀(jì)70 年代盛行一時。80 年代之后，隨著高性能永磁材料的發(fā)展、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，矢量控制技術(shù)等一些先進(jìn)的控制方法得以實(shí)現(xiàn)，使得永磁同步電機(jī)性能有了質(zhì)的飛躍，在高性能的伺服系統(tǒng)中逐漸處于統(tǒng)治地位。相應(yīng)的，步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)越來越明顯，比如，其定位精度有限、低頻運(yùn)行時振蕩、存在失步等，因而只能運(yùn)用在對速度和精度要求不高，

2、且對成本敏感的領(lǐng)域。技術(shù)進(jìn)步給步進(jìn)電動機(jī)帶來挑戰(zhàn)的同時，也帶來了新的發(fā)展遇。由于電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)分驅(qū)動得以實(shí)現(xiàn)。細(xì)分驅(qū)動技術(shù)是 70 年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合性能的驅(qū)動控制技術(shù)。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進(jìn)電動機(jī)的步距角，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。由于電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，德國百格拉公司于 1973 年發(fā)明了五相混合式步進(jìn)電動機(jī)，又于 1993 年開發(fā)了三相混合式步進(jìn)電動機(jī)。根據(jù)混合式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將交流伺服控制方法引入到混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，使其可以以任意步距角運(yùn)行，并且可以顯著削弱步進(jìn)電機(jī)的

3、一些缺點(diǎn)。若引入位置反饋，則混合式步進(jìn)電機(jī)控題正是借鑒了永磁交流伺服系統(tǒng)的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。1.2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器的發(fā)展概況按勵磁方式分類，可以將步進(jìn)電動機(jī)分為永磁式（PM） 、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）三類，混合式步進(jìn)電動機(jī)在結(jié)構(gòu)和原理上綜合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，因此混合式步進(jìn)電動機(jī)具有諸多優(yōu)良的性能，本課題的研究對象正是混合式步進(jìn)電機(jī)。20 世紀(jì) 60 年代后期，各種實(shí)用性步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電動機(jī)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近 30 年間，步進(jìn)電動機(jī)迅速的發(fā)展并成熟起來。從發(fā)展趨勢來講，步進(jìn)電動機(jī)已經(jīng)能與直流電

4、動機(jī)、異步電動機(jī)以及同步電動機(jī)并列，從而成為電動機(jī)的一種基本類型。特別是混合式步進(jìn)電動機(jī)以其優(yōu)越的性能（功率密度高于同體積的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī) 50）得到了較快的發(fā)展。其中，60 年代德國百格拉公司申請了四相（兩相）混合式步進(jìn)電動機(jī)專利，70 年代中期，百格拉公司又申請了五相混合式步進(jìn)電動機(jī)及驅(qū)動器的專利，發(fā)展了性能更高的混合式步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)。這個時期各個發(fā)達(dá)工業(yè)國家建立了混合式步進(jìn)電動機(jī)規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)。此外，1993 年，也就是五相混合式步進(jìn)電動機(jī)及驅(qū)動器專利到期之時，百格拉公司又申請了三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的專利。步進(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）步距值不容易受各種干擾因素的影響。它的速度主要取決于輸

5、入脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子運(yùn)動的總位移取決于輸入的脈沖總數(shù)，相對來說，電壓大小、電流數(shù)值和溫度的變化等因素不影響步距值；（2）無位置累積誤差。步進(jìn)電動機(jī)每走一步的實(shí)際步距值與理論值總有一定的誤差，走任意步數(shù)之后也總有一定誤差，但是因每轉(zhuǎn)一周的累計(jì)誤差為零，所以步距值的誤差是不累積的；（3）控制性能好。改變通電順序，就可以方便的控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，起動、轉(zhuǎn)向、制動、改變轉(zhuǎn)速及其他任何運(yùn)動方式的改變都可以在少數(shù)脈沖內(nèi)通過改變電脈沖輸入就能控制，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時，任何運(yùn)行方式都不會丟失一步；（4）步進(jìn)電機(jī)還有自鎖能力，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)保持通電時，則電動機(jī)可以保持在

6、最后一個脈沖控制的角位移的終點(diǎn)位置上，能夠?qū)崿F(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子定位。因此，步進(jìn)電機(jī)在機(jī)械、冶金、電力、紡織、電信、儀表、辦公自動化設(shè)備、醫(yī)療、印刷以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。例如機(jī)械行業(yè)中，在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，可以算是典型的例子?？梢哉f步進(jìn)電動機(jī)是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的核心。我國的步進(jìn)電機(jī)行業(yè)起步較早，但大多都是反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，直到目前，仍有許多國內(nèi)用戶使用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是效率高、力矩大、運(yùn)行平穩(wěn)、高頻運(yùn)行時矩頻特性好，在發(fā)達(dá)國家中，越來越廣泛的使用性能優(yōu)越的五相和三相混合式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。我國步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用雖然起步較早，但其驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展相

7、對落后，成為制約步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用與發(fā)展的主要因素。國內(nèi)仍有不少用戶沿用己被國外淘汰的單電壓串電阻等落后的驅(qū)動方式，驅(qū)動器電路中使用分立元件居多，可靠性差，且各廠家的驅(qū)動技術(shù)規(guī)范、技術(shù)等級、生產(chǎn)工藝參差不齊。目前發(fā)達(dá)國家的驅(qū)動器已進(jìn)入恒相電流與細(xì)分技術(shù)相結(jié)合的階段，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行振蕩很小、高速運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩下降較小。1-3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步離不開電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會發(fā)展的需要推動了交流調(diào)速系統(tǒng)的飛速發(fā)展；現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用，電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件。

8、電力電子器件及微處理器是高性能交流傳動系統(tǒng)和現(xiàn)代電力電子設(shè)備的核心。電力半導(dǎo)體器件以開關(guān)陣列的形式應(yīng)用于電力變流器中，把相同頻率、或者是不同頻率的電能進(jìn)行交-直（整流器）、直-直（斬波器）、直-交（逆變器）和交-交變換。電力電子器件經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：第一個階段是20 世紀(jì) 80 年代中期以前，是以門極不可關(guān)斷的晶閘管（Thyristor）為代表的半控型器件，這種在 20 世紀(jì) 50 年代晚期出現(xiàn)的器件使得固態(tài)電力電子器件進(jìn)入了一個新紀(jì)元。晶閘管主要用于直流電動機(jī)的驅(qū)動器中，必須配以輔助換流措施才能實(shí)現(xiàn)可靠的換流，控制線路復(fù)雜、效率低、可靠性差，而且開關(guān)頻率低，使得變頻電源中含有大量的諧波

9、分量，轉(zhuǎn)矩脈動大、噪聲大及發(fā)熱嚴(yán)重。第二個階段是 20 世紀(jì) 80 年代中期到 90 年代，是以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、雙極型晶體管（BJT）、電力場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）等為代表的全控型器件。如今 GTO 產(chǎn)品的額定電流、電壓已超過 6kA、6kV，在 10MViA 以上的特大型電力電子變換裝置中已有不少應(yīng)用，但其為電流驅(qū)動，故所需的驅(qū)動功率較大；BJT已模塊化，在中小容量裝置中得到推廣，但其驅(qū)動功率較大，開關(guān)速度慢，影響了逆變器的工作頻率和輸出波形；MOSFET 開關(guān)速度快，驅(qū)動功率小，電壓型控制，但器件功率等級低，導(dǎo)通壓降大，限制了逆變器的容量。第三個階段是 20 世紀(jì) 90

10、 年代，是以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型功率器件，主要特點(diǎn)為門極電壓控制，故其所需驅(qū)動功率較小。IGBT 結(jié)合了MOSFET和 BJT的優(yōu)點(diǎn)，具有高開關(guān)頻率，門極電壓驅(qū)動，不存在二次擊穿問題，無需吸收電路，又具有 BJT大電流密度，低導(dǎo)通壓降的特性。新一代的智能功率模塊（IPM）集功率器件 IGBT、驅(qū)動電路、檢測電路和保護(hù)電路于一體，實(shí)現(xiàn)過流、短路、過熱、欠壓保護(hù)，模塊包含三相橋逆變器，從而使裝置體積縮小，可靠性提高。20 世紀(jì) 90 年代末至今，電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了第四代，這里只介紹一下電力半導(dǎo)體家族中的最新成員集成門極換向晶閘管（Integrated gate-com

11、mutated thyristor），它是ABB公司于1997年發(fā)明的，它基本上是一種高壓、大功率、非對稱截止 GTO 晶閘管，其關(guān)斷電流增益為1，可見其驅(qū)動功率之小。該器件的導(dǎo)通壓降、開通di/dt、門極驅(qū)動損耗、少數(shù)載流子存儲時間和關(guān)斷dv/dt據(jù)稱都優(yōu)于GTO晶閘管。器件更快的開關(guān)速度使得無緩沖器運(yùn)行成為可能，也使其開關(guān)頻率高于GTO晶閘管。多個 IGCT 可以串聯(lián)或并聯(lián)成更高功率的應(yīng)用。該器件已經(jīng)用于電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（100MViA）和中等功率（高達(dá)5MW）工業(yè)傳動中。4-6全數(shù)字化是交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。交流調(diào)速系統(tǒng)最初多為模擬電子電路組成，由于模擬電路固有的弊端，決定了很多控制

12、算法很難在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。近幾十年來，由于微機(jī)控制技術(shù)，特別是以單片機(jī)及數(shù)字信號處理器（DSP）為控制核心的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，許多復(fù)雜的控制算法得以實(shí)現(xiàn)，如矢量控制中的復(fù)雜坐標(biāo)變換、解耦控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識的自適應(yīng)控制等，這些是模擬電路無法做到的，可以毫不夸張的說以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。常用于交流調(diào)速系統(tǒng)的微處理器簡介如下。(1). 單片機(jī)。一片單片機(jī)芯片就是一臺微型計(jì)算機(jī)，其上集成有用戶需要的一些外設(shè)，如定時/計(jì)數(shù)器、D/A、A/D等，這樣就大大縮小了控制器的體積，降低了成本，提高了可靠性。然而單片機(jī)對大量數(shù)據(jù)的處理能力有限，因

13、此只用于一些對性能要求不高的場合。(2). 數(shù)字信號處理器（DSP）。為了提高運(yùn)算速度，在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了數(shù)字信號處理器，其上一般集成有硬件乘法器、時鐘頻率很高，一些高性能的DSP 還支持浮點(diǎn)運(yùn)算。世界各大 DSP生產(chǎn)商還推出了集成有PWM 生成硬件、A/D、正交編碼電路等專門針對于電機(jī)控制的DSP 芯片，常見的如 TI 公司的 C2000系列。電機(jī)控制專用的 DSP芯片使控制系統(tǒng)硬件簡化，性能和可靠性得到了空前的提高。(3). 高級專用集成電路（ASIC）。ASIC也稱為適合特定用途的 IC，是能完成特定功能的專用芯片。 例如用于交流變壓變頻用的SPWM波發(fā)生器HEF4752 （英國M

14、ullard公司產(chǎn)品，適用于開關(guān)頻率 1kH 以下）、SLE4520（德國西門子公司產(chǎn)品，適用于開關(guān)頻率 20kH以下）。現(xiàn)代高級專用集成電路的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個發(fā)生器，往往能夠包括一種特定的控制系統(tǒng)，例如，德國應(yīng)用微電子研究所（IAM）1994 年推出的VECON，是一個交流伺服系統(tǒng)的單片矢量控制器，包括控制器，能完成矢量運(yùn)算的 DSP 協(xié)處理器、PWM 定時器，以及其他外圍和接口電路，都集成在一片芯片之內(nèi)，使可靠性大幅度提高。2 混合式步進(jìn)電動機(jī)的原理及其驅(qū)動控制 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)與反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動機(jī)相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。電流閉環(huán)、三相正弦電流驅(qū)動是三相混合式

15、步進(jìn)電動機(jī)常用的驅(qū)動方式。2.1 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 混合式步進(jìn)電動機(jī)是一種十分流行的步進(jìn)電動機(jī)。它既有反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的高分辨率，每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點(diǎn)，又有永磁式步進(jìn)電動機(jī)的高效率，繞組電感比較小的特點(diǎn)，故稱混合式。圖2-1 給出了三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及其定子結(jié)構(gòu)圖。從結(jié)構(gòu)上看，它的定子通常有多相繞組，定、轉(zhuǎn)子上開有很多齒槽，類似反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場，這與永磁式步進(jìn)電動機(jī)相似。圖2-1三相混合式步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及定子示意圖Three-phase hybrid stepping motor and the

16、stator internal schematic diagram混合式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子的中部，軸向充磁，兩段鐵心分別裝在磁鋼的兩端，轉(zhuǎn)子的鐵心外圓周有均勻分布的小齒，兩段鐵心上面的小齒沿圓周相互錯開半個齒距。定、轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同。一段轉(zhuǎn)子的磁力線沿轉(zhuǎn)子表而呈放射形進(jìn)入定子鐵心，稱為 N極轉(zhuǎn)子，另一段轉(zhuǎn)子的磁力線是從定子沿定子表面穿過氣隙回歸到轉(zhuǎn)子中去的，稱為 S極轉(zhuǎn)子?？梢?，通過轉(zhuǎn)子分段錯齒和轉(zhuǎn)子軸向永磁勵磁，三相混合式步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上巧妙的實(shí)現(xiàn)了多極對數(shù)永磁凸極同步電機(jī)的思想，從原理上講是低速凸極永磁同步電機(jī)?？梢?，混合式步進(jìn)電動機(jī)既可以用

17、作同步電動機(jī)進(jìn)行速度控制，又可以用作步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行位置開環(huán)控制。7-9 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 圖 2-2 給出了一臺簡單的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的橫截面示意圖。圖中三相混合式步圖2-2三相混合式步進(jìn)電動機(jī)示意圖2Three-phase hybrid stepping motor diagram進(jìn)電動機(jī)的定子為三相六極，三相繞組分別繞在相對的兩個磁極上，且這兩個磁極的極性是相同的。它的每段轉(zhuǎn)子鐵心上有八個小齒，兩段鐵心上的小齒相互錯開半個齒距。從電動機(jī)的某一端看，當(dāng)定子的一個磁極與轉(zhuǎn)子齒的軸線重合時，相鄰磁極與轉(zhuǎn)子齒的軸線就錯開1/3齒距?；旌鲜讲竭M(jìn)電動機(jī)的氣隙磁動勢由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁

18、動勢 Fr 和定子繞組電流產(chǎn)生的磁動勢 Fs 組成。在電機(jī)運(yùn)行過程中，隨著繞組中通入的電流方向的變化，這兩種磁動勢有時是相加的，有時又是相減的，轉(zhuǎn)子磁動勢與定子磁勢相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子處于圖 2-2 中所示的穩(wěn)定平衡位置，此時與N 段轉(zhuǎn)子鐵心相對的定子 A 相極下氣隙磁導(dǎo)最大，與 S 段轉(zhuǎn)子鐵心相對的定子 A 相極下氣隙磁導(dǎo)最小。當(dāng)外加力矩使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置時，例如轉(zhuǎn)子向順時針方向轉(zhuǎn)了一個小角度 ，則定子與兩段轉(zhuǎn)子齒的相對位置及作用轉(zhuǎn)矩的方向如圖 2-3 所示?？梢钥吹?，兩段轉(zhuǎn)子鐵心所受到的電磁轉(zhuǎn)矩方向相同，都是使轉(zhuǎn)子回到穩(wěn)定平衡位置的方向。繞組的通電狀態(tài)改變，電

19、動機(jī)的穩(wěn)定平衡位置也改變，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到新的平衡位置。上面說的是單相通電時的情況，但是為了增加電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)繞組利用率，在三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用中，一般采用三相同時通電的控制方式。圖2-4給出了三相混合式步進(jìn)電動機(jī)三相同時通電時繞組電流狀態(tài)示意圖， 圖 2-4a 到圖2-4f中的轉(zhuǎn)子位置分別與圖2-4g中t1至t6時刻的繞組通電狀態(tài)相對應(yīng)。每相繞組的電流在每個周期內(nèi)共上面說的是單相通電時的情況，但是為了增加電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)繞組利用率，在三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用中，一般采用三相同時通電的控制方式。圖2-4給出了三相圖2-3 A相繞組通電時轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的

20、受力圖-3A rotor winding energized by trying to deviate from the equilibrium position混合式步進(jìn)電動機(jī)三相同時通電時繞組電流狀態(tài)示意圖， 圖 2-4a 到圖2-4f中的轉(zhuǎn)子位置分別與圖2-4g中t1至t6時刻的繞組通電狀態(tài)相對應(yīng)。每相繞組的電流在每個周期內(nèi)共有三個狀態(tài)，電流變化一個周期，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。此時電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù) S可由式（2-1）得到。S=k*m*Z (2-1)式中，k 為電動機(jī)每轉(zhuǎn)電流狀態(tài)變化的次數(shù)；m 為電機(jī)的相數(shù)；Z 為電機(jī)齒數(shù)。對于三相混合式步進(jìn)電動機(jī)，設(shè)轉(zhuǎn)子有 50 個齒，根據(jù)式（2-1）和圖 2-4

21、 可以計(jì)算出此時電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)S為：S=4*3*50=600 (2-2)若電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，相電流只有兩個狀態(tài)，即電機(jī)繞組只有正、負(fù)通電狀態(tài)，無零電流狀態(tài)，根據(jù)式（2-1），可得電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)為 300。可見，通過增加繞組通電狀態(tài)數(shù)可以使混合式步進(jìn)電動機(jī)的步距角減小，增加走步精度，對于減小混合式步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行過程中的振動有很大的作用。其實(shí)，這個例子也暗含了混合式步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分控制的基本原理，細(xì)分控制是目前最有效的減小步進(jìn)電動機(jī)振動的方法，后面將會給出詳細(xì)的介紹。2.2 步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)用中要注意的問題 當(dāng)選用步進(jìn)電動機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行元件時，一定要了解步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)，特別是其矩頻特性。步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨

22、轉(zhuǎn)速升高而下降，選型時一定要參考矩頻特性曲線圖，圖2-4三相同時通電半步運(yùn)行時繞組電流示意圖4Three-phase power half a step while running winding current diagram根據(jù)設(shè)備運(yùn)動速度和加速度，計(jì)算好所需工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量。步進(jìn)電動機(jī)的選用主要考慮以下幾個指標(biāo)：1-3(1).步距角：每給定一個電脈沖信號，電動機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)該轉(zhuǎn)過角度的理論值，步距角越小，分辨率越高。其計(jì)算公式如下：=(2-3)式中,Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距的運(yùn)行拍數(shù)。 (2).步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。若步進(jìn)電動機(jī)所加的控制脈沖頻率為f，則步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n= (

23、2-4)可見步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，取決于輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖頻率的高低。步進(jìn)電動機(jī)在不失步、不丟步的前提下，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角與電壓、負(fù)載、溫度等因素?zé)o關(guān)，因而步進(jìn)電動機(jī)可直接采用開環(huán)控制，簡化控制系統(tǒng)。(3).最大空載起動頻率。電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率，起動頻率越高，則電機(jī)快速響應(yīng)性能越好。圖2-5 90BYG350C型電機(jī)的矩頻特性圖5 90BYG350C type motor moment frequency response plots(4).矩頻特性。電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與控制脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，

24、這是步進(jìn)電動機(jī)最重要的參數(shù)之一，是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。圖 2-5為本課題所用的混合式步進(jìn)電動機(jī)（型號為 90BYG350C）的矩頻特性圖。由圖可以看到，該步進(jìn)電動機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為 6Nm，隨著轉(zhuǎn)速的升高，其轉(zhuǎn)矩不斷減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 1200r/min 時，轉(zhuǎn)矩已不到 1.6Nm。所以選用步進(jìn)電動機(jī)時一定要參考其矩頻特性圖，不能只看保持轉(zhuǎn)矩或最大靜轉(zhuǎn)矩，要根據(jù)電機(jī)運(yùn)行工況，考慮一定的裕量。 (5).步進(jìn)電動機(jī)的共振點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相混合式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在 180Hz 到250Hz 之間（步距角 1.8 度）或在400Hz 左右（步距角為

25、0.9 度），電機(jī)驅(qū)動電壓越高、電機(jī)電流越大、負(fù)載越輕、電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移。為使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，避免失步和降低整個系統(tǒng)的噪音，一般要求工作點(diǎn)均偏離共振區(qū)。2.3 步進(jìn)電動機(jī)的振動和失步 步進(jìn)電動機(jī)的振動是其固有的缺點(diǎn)，在上節(jié)所說的步進(jìn)電動機(jī)選擇標(biāo)準(zhǔn)中就提到，使用步進(jìn)電動機(jī)時一定要考慮電動機(jī)的共振點(diǎn)，這樣可以人為的讓步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行區(qū)域避開步進(jìn)電動機(jī)的共振點(diǎn)，使步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行的更加平穩(wěn)、噪聲小，避免失步。下面介紹一下步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生振動的原因。步進(jìn)電動機(jī)在步進(jìn)狀態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子運(yùn)動是一衰減振蕩過程。電動機(jī)在低頻步進(jìn)運(yùn)行時，定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一個步距角。由于轉(zhuǎn)子的自

26、由振蕩，它將不能及時的停留在新的平衡位置。而是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置。每加一次脈沖，進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補(bǔ)充，這樣步進(jìn)電動機(jī)在低頻步進(jìn)運(yùn)行時，類似于一種強(qiáng)迫振蕩。當(dāng)控制脈沖的頻率等于或接近于步進(jìn)電動機(jī)振蕩頻率的 1/k 倍（k1,2,3.）時，電動機(jī)就會出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動現(xiàn)象，嚴(yán)重的將導(dǎo)致失步或無法工作。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)在高頻脈沖下連續(xù)運(yùn)行時，前一次的振蕩尚未達(dá)到第一次回?cái)[的最大值，下一個脈沖已經(jīng)到來。當(dāng)頻率更高時，甚至在前一步振蕩尚未達(dá)到第一次的峰值就開始下一步，則電機(jī)可以連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速也比較穩(wěn)定。但是當(dāng)脈沖頻率過高，達(dá)到或超過最大連續(xù)

27、運(yùn)行頻率 fmax時，由于繞組電感的作用，動態(tài)轉(zhuǎn)矩下降很多，負(fù)載能力較弱，且由于電機(jī)的損耗，如軸承摩擦、風(fēng)摩擦等都大為增加，即使在空載下也不能正常運(yùn)行。另外，當(dāng)脈沖頻率過高時，矩角特性的移動速度相當(dāng)快，轉(zhuǎn)子的慣性導(dǎo)致轉(zhuǎn)子跟不上矩角特性的移動，則轉(zhuǎn)子位置距平衡位置之差越來越大，最后因超出動穩(wěn)區(qū)而丟步。10-15由于步進(jìn)電動機(jī)特殊的運(yùn)行機(jī)理，要完全消除其振蕩是不可能的，只有采取一定的措施，在一定程度上抑制其振蕩，防止發(fā)生失步。目前，抑制步進(jìn)電機(jī)振蕩的方法主要有:（1）采用細(xì)分驅(qū)動方式，適當(dāng)增加細(xì)分?jǐn)?shù)；（2）增加阻尼；（3）采用位置或速度閉環(huán)控制。其中第三條方法能從根本上解決步進(jìn)電動機(jī)振蕩的問題，但

28、此時控制系統(tǒng)較復(fù)雜，成本也高。因此在實(shí)際應(yīng)用中一般采用第一條和第二條方法。增加阻尼一般有兩種方法：增加機(jī)械阻尼和電氣阻尼。機(jī)械阻尼是增加電機(jī)轉(zhuǎn)子的干摩擦阻力或粘性阻力。其缺點(diǎn)是增大了慣性，使電機(jī)的速度性能變壞，體積增大。電氣阻尼則有多相激磁阻尼、延遲斷開阻尼等。其實(shí)，從原理上說，細(xì)分驅(qū)動也就是采用了增加電氣阻尼的技術(shù)。對于混合式步進(jìn)電動機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子中加入了永磁體，因而，混合式步進(jìn)電動機(jī)具有較強(qiáng)的反電動勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)行過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。從這也可以看到混合式步進(jìn)電動機(jī)的性能要優(yōu)于反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。2.4 步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù) 傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式 單電

29、壓驅(qū)動：單電壓驅(qū)動是指在步進(jìn)電機(jī)繞組上加上恒定的電壓，這種驅(qū)動方式的電路相當(dāng)簡單。但是當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時，流經(jīng)繞組的電流還未上升到額定電流就被關(guān)斷，相應(yīng)的平均電流減少而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降。為改善高速運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，通常在連接電機(jī)繞組的線路中串聯(lián)一個無感電阻來減少電氣時間常數(shù)，同時成比例的增加電源電壓以保持額定電流不變。 但是串入電阻將加大功耗， 降低功放電路的功率，必須具備相應(yīng)的散熱條件才能保證電路穩(wěn)定可靠的工作。所以這種電路一般僅適合于驅(qū)動小功率步進(jìn)電機(jī)或?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能要求不高的情況。高低壓驅(qū)動：高低壓驅(qū)動電路使用兩種電壓電源，即步進(jìn)電機(jī)額定電壓和比它高幾倍的電源電壓。當(dāng)相繞組導(dǎo)通時，加

30、到繞組上的電壓為高電壓，上升電流具有較陡峭的前沿特性。當(dāng)電流上升到額定值時，關(guān)閉高壓電源，用額定電壓供電來維持繞組的電流。由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢、相間互感等因素的影響，易使電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。低頻時繞組電流有較大的上沖，所以低頻時電機(jī)振動較大，低頻共振現(xiàn)象仍然存在。斬波恒流驅(qū)動：斬波恒流驅(qū)動方式的供電電壓比電機(jī)額定電壓高得多，使電流上升和衰減速度很快，通過斬波方式使電機(jī)繞組電流在低速到高速運(yùn)行范圍內(nèi)保持恒電流，從而保持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩恒定。但是此種方法線路復(fù)雜、低速運(yùn)行時繞組電流沖擊大，使低頻產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行不平穩(wěn)，噪聲大、定位精度不高。調(diào)頻調(diào)

31、壓驅(qū)動：隨著步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率的提高，同時提高功率放大電路的電源電壓，以補(bǔ)償因運(yùn)行頻率上升造成的輸出轉(zhuǎn)矩下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率降低時，同時降低功率放大電路電源電壓。因電壓隨頻率而變，故既可增加高頻輸出轉(zhuǎn)矩，又能避免低頻可能出現(xiàn)的振蕩。從理論上講，調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動基本克服了單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動等電路的不足，矩頻特性較好，能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。但是仍然不能利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多種步距角控制，步距角的大小只有有限的幾種，步距角已由電機(jī)結(jié)構(gòu)所確定。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù) 以上幾種驅(qū)動方式都有其弊端，實(shí)踐證明，恒轉(zhuǎn)矩、等步距角的均勻細(xì)分方式是目前最好的細(xì)分控制方式。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)

32、實(shí)質(zhì)上是一種電氣阻尼技術(shù)，其主要目的是提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)步距角的高精度細(xì)分。步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)首先由美國學(xué)者 T. R. Fredriksen于 1975 年在美國增量運(yùn)動控制系統(tǒng)及器件年會上提出， 在其后的二十多年里， 步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。在減小步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行過程中的振動起到了很好的效果。如圖 2-6 所示，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是通過控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組中的電流，使其按一定的規(guī)律階梯上升或下降，即每次只改變繞組電流的一部分，從而獲得從零到最大相電流的多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài)，相應(yīng)的定子電流產(chǎn)生的磁場矢量也就存在多個中間狀態(tài)，圖2-

33、6三相混合式步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動時各相電流狀態(tài)及轉(zhuǎn)矩矢量圖6Three-phase Hybrid Stepping Motor Driver with current state and when the torque vector轉(zhuǎn)動。合成磁場矢量的幅值決定了轉(zhuǎn)矩的大小，相鄰兩條合成磁場矢量的夾角決定了微步距角的大小。相電流變化一個周期，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。可見，步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講，是對步進(jìn)電動機(jī)的定子繞組中電流的控制。最初的步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制只是對電機(jī)的繞組電流加以簡單的控制，如控制電流均勻上升、下降等，這樣簡單控制的結(jié)果將使細(xì)分之后的步距角很不均勻。隨著步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)

34、的發(fā)展，如何通過改進(jìn)電動機(jī)相電流的控制策略來增加細(xì)分的均勻性，提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少運(yùn)動噪音及振動等越來越受到人們的重視，并得了很大進(jìn)展。本文把交流伺服驅(qū)動的思想應(yīng)用到三相混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩、等步距角的均勻細(xì)分控制方式。實(shí)踐證明，恒轉(zhuǎn)矩、等步距角的均勻細(xì)分方式是目前最好的細(xì)分控制方式，能有效的抑制步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行過程中的振動、噪聲等。在下一節(jié)將給出詳細(xì)的理論分析和相應(yīng)的控制方案。2.5 三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制方案 圖2-7混合式步進(jìn)電機(jī) d-q 軸的定義7Hybrid stepping motor the definition of d-q axis每個

35、大極上面均勻的分布著一些小齒。轉(zhuǎn)子一般由環(huán)形磁鋼及兩段鐵心組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子的中部，軸向充磁，兩段鐵心分別裝在磁鋼的兩端，轉(zhuǎn)子的鐵心外圓周有均勻分布的小齒，兩段鐵心上面的小齒沿圓周相互錯開半個齒距。定、轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同?？梢?，通過轉(zhuǎn)子分段錯齒和轉(zhuǎn)子軸向永磁勵磁，三相混合式步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上巧妙的實(shí)現(xiàn)了多極對數(shù)永磁凸極同步電機(jī)的思想，從原理上講是低速永磁凸極同步電機(jī)。三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理與普通三相同步電動機(jī)的工作原理相似，即由定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場以磁拉力拖著永磁體構(gòu)成的轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子間通過氣隙磁場耦合。由于電動機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間有相對運(yùn)動，電磁關(guān)系十分復(fù)雜，并且步進(jìn)電機(jī)本身

36、又是一類高度非線性的電機(jī)，是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，為了簡化分析，在建立三相混合式步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時，做如下假設(shè)：29-35（1）忽略鐵心飽和，不計(jì)剩磁影響、不計(jì)磁滯損耗和渦流效應(yīng)，認(rèn)為磁路是線性的； （2）氣隙磁通在空間按正弦分布，即感應(yīng)電動勢（反電動勢）是正弦的，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁勢，忽略磁場的高次諧波； （3）不考慮溫度、頻率變化對電機(jī)參數(shù)的影響。按照以上條件分析實(shí)際電動機(jī)，所得結(jié)果和實(shí)際情況十分接近，可以使用上述假設(shè)對電動機(jī)進(jìn)行分析和控制。仿同步電機(jī)，定義混合式步進(jìn)電機(jī)的 d 軸位于轉(zhuǎn)子齒中心線上，q 軸沿旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸 90 度電角度，如圖 2-7 所

37、示。建立如圖2-8 所示的 d-q 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，此坐標(biāo)系隨電動機(jī)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速r 旋轉(zhuǎn)，在此 d-q 坐標(biāo)系上的三相混合式步進(jìn)電機(jī)的矢量也在圖上標(biāo)出。圖中，為電機(jī)定子三相電流合成空間矢量is和永磁體勵磁磁極軸線（d 軸）之間的夾角，又稱轉(zhuǎn)矩角。為 d 軸軸線與 A 相繞組軸線之間的夾角，可推導(dǎo)d-q坐標(biāo)系下電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下。定子電壓方程：圖2-8三相混合式步進(jìn)電機(jī)在 d-q 坐標(biāo)系上的矢量圖8Three-phase hybrid stepping motor in the dq coordinate system on the vectorUd=Rid+Pd-Weq(2-5)Uq=Ri

38、q+Pq+Wed定子磁鏈方程：d=Ldid+f(2-6)q=Lqiq由式（2-5）和式（2-6），可得：Ud=Rid+LdPid-weLqiq (2-7)Uq=Riq+LqPiq+we(Ldid+f)上述公式中ud、uq、id、iq 、d、q分別為 d、q軸上的定子電壓、電流及磁鏈分量；R為定子繞組相電阻； Ld 、Lq 為 d、q軸上的定子電感；e為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度；f為永磁體對應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鏈；p=d/dt為微分算子。輸出的電磁轉(zhuǎn)矩為：Te=Z(diq-qid)=Zfid+(Ld-Lq)idiq (2-8)電動機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程為：Te=Tl+Bwr+Jpwr(2-9)上述公式中，Z為混合式步

39、進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為電動機(jī)轉(zhuǎn)子和所帶負(fù)載的總轉(zhuǎn)動慣量，B為粘滯摩擦系數(shù)；r為電動機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，其與電角速度間的換算如下： we=Zwr(2-10)由d-q坐標(biāo)系下的矢量圖2-8可得：id=iscos (2-11)iq=issin結(jié)合式（2-8）可得電磁轉(zhuǎn)矩：Te=Zfissin+(Ld-Lq)is2sin2 (2-12)式（2-12）括號中，第一項(xiàng)是由定子電流合成磁場與永磁體勵磁磁場相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為主電磁轉(zhuǎn)矩；第二項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，它是由電動機(jī)的凸極效應(yīng)引起的，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比?？梢钥闯觯旌鲜讲竭M(jìn)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的控制取決于對交軸電

40、流iq和直軸電流d的控制。當(dāng)id=0時，由于f為常數(shù)，只要控制iq 就可以線性的控制電磁轉(zhuǎn)矩。仿同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制方式，即在混合式步進(jìn)電動機(jī)的整個運(yùn)行過程中，始終保持id=0，使定子電流產(chǎn)生的電樞磁動勢與轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢間的角度為90o，即保持正交，則定子電流矢量is與 q 軸重合，那么電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值is成正比，即只與交軸電流 iq成正比，比例系數(shù)K=3/2*Zf，從而實(shí)現(xiàn)了交軸電流iq和直軸電流id的解耦，達(dá)到了矢量控制的目的。此時的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式表示： Te=K*iq(2-13)由于電機(jī)定子綜合電流矢量始終與轉(zhuǎn)子的磁極軸線成90°，該方法又稱按勵磁軸線定向的

41、矢量控制。此時電機(jī)所有電流均用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電流控制效率高，且減少了定子銅耗。缺點(diǎn)是隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加，端電壓增加較快，功率因數(shù)下降，對逆變器容量要求提高。為保證電流環(huán)動態(tài)跟隨，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)矩升高，外加電壓應(yīng)提高?？梢?，這種轉(zhuǎn)子磁場定向控制方式比較適合于小容量交流伺服系統(tǒng)。對于有明顯凸極效應(yīng)的混合式步進(jìn)電動機(jī)，其Ld>Lq ，采用這種 id=0的控制方式時，并沒有利用凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，沒有充分發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力。這點(diǎn)是id=0的控制方式運(yùn)用于混合式步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)的不足。2.6 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理，建立了三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的理想數(shù)學(xué)模型，提

42、出了相應(yīng)的控制方案。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)混合式步進(jìn)電機(jī)是一種系統(tǒng)電機(jī)，電機(jī)本體與其控制器密不可分。優(yōu)秀的電機(jī)運(yùn)行性能只有通過高性能的控制器和先進(jìn)的控制策略來實(shí)現(xiàn)。采用智能功率模塊（IPM）和數(shù)字信號處理器（DSP）可以使控制器結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制方法，提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能。圖3-1三相混合式步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.3-1Three-phase hybrid stepping motor control system block diagram3.1 系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，控制電路以，TI 的DSP芯片TMS320LF2403A 為核心，包括電流檢測電路、斷電

43、記憶關(guān)鍵數(shù)據(jù)電路、驅(qū)動電路和控制信號接口電路。構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字三相混合式步進(jìn)電機(jī)脈沖細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)。其中的 X25040是帶有EEPROM的SPI芯片，用來當(dāng)系統(tǒng)非正常斷電時，記錄系統(tǒng)關(guān)鍵的運(yùn)行參數(shù)。圖3-2為控制部分與功率部分的接口框圖。系統(tǒng)主回路部分采用交-直-交電壓源型逆變電路，主要由整流橋、濾波電容及智能功率模塊（IPM）組成；采用采樣電阻檢測電機(jī)相電流；DSP輸出的 IPM 控制信號經(jīng)電平匹配電路后直接送到 IPM 驅(qū)動信號端口，沒有采用隔離措施。圖3-2控制部分與功率部分接口電路框圖Fig.3-2Control section and power part of the inte

44、rface circuit diagram3.2 數(shù)字信號處理器簡介本系統(tǒng)采用了美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)TMS320LF2403A數(shù)字信號處理器，它是 TI 公司推出的高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)的，特別適用于電機(jī)的高性能控制。它具有DSP的信號高速處理能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體，且價格便宜，大大減小了控制系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的性價比。TMS320LF2403A 采用增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線操作，在 40MHz內(nèi)部時鐘頻率下，指令周期僅為25ns。并且內(nèi)部具有硬件乘法器，完成一條16位乘16 位的乘法指令只需一個指令周期。其內(nèi)部具有鎖相環(huán)

45、電路，使其外部只要提供10MHz的時鐘信號，通過軟件設(shè)置就可產(chǎn)生所需的CPU時鐘。片內(nèi)的雙口RAM區(qū)允許一個指令周期內(nèi)訪問兩次，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力，緩解了高速處理器與慢速外圍部件之間的矛盾。內(nèi)含一個8通道轉(zhuǎn)換精度為10位的高速 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間可靈活的通過編程設(shè)置，最短僅為500ns，非常適合實(shí)時性控制的需要。片內(nèi)優(yōu)化的單個事件管理器是為設(shè)計(jì)者提供的實(shí)現(xiàn)完整的高性能電機(jī)控制方案的關(guān)鍵。從功能上看，它提供的脈寬調(diào)制（PWM）通道及I/O口可以驅(qū)動各種類型的電機(jī)。其事件管理器包含了2個具有四種工作方式的定時器及 3個比較器，并輔以靈活的波形發(fā)生邏輯，可產(chǎn)生 6路 PWM輸出。它支持對稱的

46、和非對稱的PWM生成能力及空間矢量 PWM 以實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化。下面將TMS320LF2403A的一些主要技術(shù)特性概括如下：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗，40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns（40MHz），絕大部分指令為單周期，從而使控制器有很強(qiáng)的實(shí)時控制能力。單個的事件管理器包括2個16位通用定時器，8個16位具有內(nèi)部死區(qū)生成邏輯的脈寬（PWM）調(diào)制通道。3個捕獲單元，片內(nèi)光電編碼器接口電路，8通道A/D轉(zhuǎn)換器。事件管理器適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器。一個不可屏蔽中斷（NM

47、I），1個外部中斷，6個按優(yōu)先級獲得服務(wù)的可屏蔽中斷，而且這6個中斷級都可以被很多外設(shè)中斷請求共享。八個輔助寄存器和一個用于數(shù)據(jù)寄存器間接尋址的輔助算術(shù)單元。544字片內(nèi)程序/數(shù)據(jù)雙口RAM（DARAM）和512字的單口RAM（SARAM）。10位A/D轉(zhuǎn)換模塊最小轉(zhuǎn)換時間為500ns，并且具有自動排序的能力。一次可執(zhí)行最多8個通道的自動轉(zhuǎn)換，而每次要轉(zhuǎn)換的通道都可以通過編程來選擇。內(nèi)置校驗(yàn)和自測試模式。串行通信接口（SCI）模塊。16位串行外設(shè)（SPI）接口模塊。 控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）2.0模塊。 基于鎖相環(huán)（PLL）的時鐘模塊和看門狗模塊（WDT） 。 電源管理包括3種低功耗模式，能獨(dú)

48、立的將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。3.3 控制部分外圍電路介紹控制器參數(shù)選擇電路控制器在上電之前，要根據(jù)用戶需要設(shè)置相應(yīng)的步距角、相電流大小以及輸入信號的模式等參數(shù)。由于TMS320LF2407A 的 I/O口有限，但它有8個A/D采樣通道，而電流采樣和直流母線電壓采樣在一起也只需要用3個A/D采樣通道，所以控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置就采用了如圖3-3所示的撥碼開關(guān)電路。這樣做只需4個A/D采樣通道就可以完成控制系統(tǒng)的16種細(xì)分選擇、16種相電流選擇和信號輸入模式及半流模式選擇。DSP的A/D分辨率約3mV，但是電阻精度有限，所以在設(shè)計(jì)電路的時候要注意撥碼開關(guān)右側(cè)電阻值的選取，并且在軟件設(shè)計(jì)中也要采取

49、相應(yīng)的措施。電流采樣和過流保護(hù)電路根據(jù)第二章推導(dǎo)的電磁轉(zhuǎn)矩公式Te=Kiq,可知在控制系統(tǒng)中，控制器需要及時、準(zhǔn)確地知道繞組中實(shí)際電流信號，以實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制和電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，為此需要對電流信號進(jìn)行采樣。電流采樣必須實(shí)時、準(zhǔn)確和可靠，有時還要求被測電路與控制電路的可靠隔離。通常電流檢測的方法有以下三種：電流互感器檢測、霍爾電流傳感器檢測和采樣電阻檢測。電流互感器被廣泛的應(yīng)用于電流的測量中，因?yàn)樗脑⒏边叢捎么篷詈?，故可以?shí)現(xiàn)被測電路與控制電路的隔離。互感器用于測量正弦電流，具有足夠的工程精度，但是這種方法用于測量非正弦供電流或含有諧波較多的電流時，測量將產(chǎn)生較大的誤差。由于互感器鐵心磁性

50、材料的非線性影響，高次諧波分量的測量誤差較大，用一般的互感器檢測 PWM逆變器這種含有豐富諧波分量的輸出電流，將難以準(zhǔn)確測量電流的瞬時值。圖3-3控制器參數(shù)選擇電路Fig.3-3Controller parameter selection circuit霍爾電流傳感器是一種利用霍爾效應(yīng)來工作的半導(dǎo)體器件，其中磁補(bǔ)償式霍爾電流傳感器是基于磁場補(bǔ)償平衡原理，即初級電流所產(chǎn)生的磁場，通過一個次級線圈的電流產(chǎn)生磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件始終處于零磁通的平衡工作狀態(tài)。由于動態(tài)平衡過程極快，從宏觀上看，次級電流通過測量電阻在任何時候都能檢測出來，其大小及波形是與初級電流完全對應(yīng)的?；魻栯娏鱾鞲衅骺梢詫?shí)現(xiàn)對直

51、流及非正弦的交流電流信號的可靠隔離傳送，是比較理想的電流檢測元件。但是，霍爾電流傳感器價格較高，在一些低成本和小功率場合，應(yīng)用采樣電阻是一個很好的選擇。采樣電阻可以直接將主電路的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號送給控制電路，簡單、方便、而且頻響好，輸出電壓直接正比于主電路流過的電流。選擇采樣電阻要注意以下兩點(diǎn)：電流采樣電阻應(yīng)該具有很低的阻抗（可以達(dá)到最小限度的功率損耗）,很低的電感值（最小的di/dt 變化引起的電壓尖峰）。對于采樣電阻值的選擇，一般是考慮最小的功率損耗和最大的準(zhǔn)確性的折衷點(diǎn)，小的采樣電阻能夠減小功率損耗，而大的采樣電阻能夠提高精度。由于本課題所做的控制器功率較低，并且所用的IPM具有可

52、單電源供電,可以不用隔離,能直接和微處理器接口的特點(diǎn)，所以選用了電阻檢測的電流采樣電路。采樣電阻連接方式如圖3-2所示。由于電機(jī)三相電流滿足等式iA+iB+iC=0，所以只需采樣兩相電流即可，另一相電流可以由等式iA+iB+iC=0計(jì)算出來。兩采樣電阻分別串在對應(yīng)橋臂的中點(diǎn)和電機(jī)接線端之間。圖3-4給出了B相電流采樣放大部分的硬件原理圖，C相和B相相同。圖3-4電流采樣放大電路Fig.3-4 Current sampling amplifier圖3-4中，第一級放大電路的輸入端接在采樣電阻兩端，組成一個差分放大電路，同時第一級放大器也構(gòu)成了一個二階低通濾波器，以濾除采樣電阻上面的高頻諧波分量，

53、提高采樣精度和抑制干擾。對于第一級放大電路，選擇不同的電阻值和電容值就可以得到不同的截止頻率和不同的放大倍數(shù)，應(yīng)根據(jù)采樣電阻和電機(jī)相電流選擇合適的電阻值和電容值。由于TMS320LF2403A的A/D采樣模塊只能采樣單極性的電壓，且電壓應(yīng)限制在0至3.3V，而電機(jī)相電流為雙極性的正弦量，故用第二級放大器構(gòu)成了電壓偏置電路，使第二級放大器的輸出電壓V02在0到3.3V之間。由于放大器供電電源為15V和-15V，而DSP能接受的電壓最大也不超過5V，有時由于故障或控制失效，流過采樣電阻的電流就會很大，導(dǎo)致V02很大（極限值能到15V）。為了避免燒壞 DSP，應(yīng)在V02 輸入到 DSP 的A/D采樣

54、引腳之前加上由兩個二極管或使用穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的限幅電路，并要采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路。圖3-5給出了B相的過流保護(hù)電路，C相和B相的相同。過流是引起功率驅(qū)動器被燒毀和損壞的主要原因之一。IGBT雖然可以承受短時間的過流，但是超出安全工作區(qū)，則會永久地?fù)p壞，所以要設(shè)置快速的過流保護(hù)電路。在主電路進(jìn)行電流檢測時，一旦檢測到主電路過流，應(yīng)該立即封鎖控制信號輸出，通知 DSP關(guān)斷所有控制信號并報(bào)警。圖3-5過流保護(hù)電路Fig.3-5Over-current protection circuit過流保護(hù)電路選用了集電極開路的比較器LM311，在驅(qū)動器正常工作、沒有發(fā)生過流的情況下，兩比較器的輸出均為高電平；當(dāng)

55、發(fā)生過流時，其中一個比較器將輸出低電平信號，此低電平信號經(jīng)相應(yīng)的處理后送到DSP的功率驅(qū)動保護(hù)中斷輸入引腳，以用來及時的封鎖 PWM輸出，避免造成事故。此保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。3.4 智能功率模塊及其驅(qū)動電路智能功率模塊（IPM）不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還含有欠壓、過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU作中斷處理。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生過載事故或者使用不當(dāng)，也可以使IPM自身在短時間內(nèi)不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，并集成電流傳感器及驅(qū)動電路。IPM模塊一般有以下四種封裝形式:單管封裝，雙

56、管封裝，六管封裝和七管封裝。IPM模塊具有以下優(yōu)點(diǎn):開關(guān)速度快，功耗低。IPM 內(nèi)的 IGBT 芯片都選用高速型，而且驅(qū)動電路緊靠IGBT芯片，驅(qū)動延時小，所以IPM開關(guān)速度快，損耗小。 快速過流保護(hù)。IPM 實(shí)時檢測 IGBT 電流，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時，IGBT將被軟關(guān)斷，同時送出一個故障信號。 過熱保護(hù)。在靠近 IGBT 的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當(dāng)基板過熱時，IPM內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動，不響應(yīng)輸入控制信號。 橋臂對管互鎖。三相橋的每組上、下橋臂的驅(qū)動信號互鎖，能有效防止上下臂同時導(dǎo)通。本系統(tǒng)選用了仙童公司（FAIRCHILD）的智能功率模塊，型號為FSAM10SH6

57、0A。FSAM10SH60A 不僅具有以上所有的優(yōu)點(diǎn)，而且其內(nèi)部集成有高速 HVIC，使它能直接和 CPU 相連，可以省去6個高速光耦，減小控制信號的傳輸延遲，降低成本。高速 HVIC還使單電源供電成為可能，簡化了電源設(shè)計(jì)，使整個系統(tǒng)只需要15V，-15V和5V 三路電源即可工作。若對電路進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，選用單電源供電的放大器，則只需要15V 和5V 兩路電源就可工作。由于時間的原因，本課題沒有在這點(diǎn)上進(jìn)行優(yōu)化。自舉電路一般，IPM需要四路電源供電，上橋臂三個IGBT各需要一路，下橋臂三個IGBT共用一路。本控制器中 FSAM10SH60A采用單電源供電，相應(yīng)的就需要設(shè)計(jì)自舉電路，下面介紹一下

58、自舉電路設(shè)計(jì)中要注意的幾點(diǎn)。自舉電路的結(jié)構(gòu)如圖 3-6 所示，它由自舉電容 CBS、自舉二極管 DBS 和限流電阻 RBS 組成。當(dāng)上橋臂關(guān)斷，下橋臂開通時，自舉電容 CBS通過自舉二極管DBS和限流電阻 RBS充電；當(dāng)下橋臂關(guān)斷，需要開通上橋臂時，充電后的自舉電容 CBS提供上橋臂 IGBT 開通所要的驅(qū)動電壓，自舉二極管DBS反向截止直流母線電壓。自舉電容充電時的電流流通路徑如圖3-6中的虛線所示。從自舉電路的工作原理可以看到自舉電容 CBS、自舉二極管 DBS 和限流電阻 RBS參數(shù)的選擇是設(shè)計(jì)自舉電路成敗的關(guān)鍵。CBS 必須足夠大，以使維持上橋臂開通所需的電源，如果 CBS過小，則在上橋臂導(dǎo)通期間，其兩端電壓可能會低于 IGBT 正常驅(qū)動電壓（一般在 10V到 15V之間），這將會使 IPM導(dǎo)通損耗加大，長期工作在這種狀態(tài)的話就有可能損壞IP