新型三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

1、新型三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Novel Three-phases Hybrid Stepper Motor Drivert易長松摘要:本文分析了新型三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制特性。介紹了采用IGB T功率器件和細(xì)分技術(shù)設(shè)計(jì)研制的驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器改善了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況,獲得了和一般伺服系統(tǒng)相當(dāng)?shù)目刂菩阅?。關(guān)鍵詞:三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分Abstract:Torque control character i stic of a novel three-phases hybrid stepper motor is analyzed.A driver is designed using

2、 power device IGBT and adop ting subdivide method.The runni ng state of stepper motor is i mproved apparently.Control performance the same as servo system can be achieved.Key words:three-phases hybrid stepper motor driver subdivision1前言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是,具有較高的定位精度,無位置積累誤差,并且特有的開環(huán)運(yùn)行機(jī)制。這大

3、大減少系統(tǒng)成本,可以獲得接近閉環(huán)控制的良好性能。但是,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況存在許多不足之處,如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性差等,又嚴(yán)重制約了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。因此,在許多要求較高的應(yīng)用場合只能采用伺服電機(jī),這又會(huì)增加系統(tǒng)的成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。為此,出現(xiàn)了各種旨在提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的措施,如細(xì)分技術(shù)的采用拓寬了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。然而,一般的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在固有的問題,如空間磁場的非圓性分布,使得電機(jī)矩角特性很難滿足輸出轉(zhuǎn)矩線性化的要求。即使采用細(xì)分控制,細(xì)分步距角與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械位置也很難保持線性,輸出的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大,定位精度也不容易保證。目前出現(xiàn)的新型

4、三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),結(jié)合了二相和五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn),在結(jié)構(gòu)上采用特殊的機(jī)械設(shè)計(jì)。其輸入為三相正弦信號(hào),工作平穩(wěn),幾乎完全沒有振動(dòng),是一種性能非常優(yōu)越的電機(jī)。本文介紹了一種采用IGB T功率器件的新型電流閉環(huán)脈寬調(diào)制(PW M三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源,它展現(xiàn)了非常好的控制性能。2三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性分析三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)。其轉(zhuǎn)子上所用永磁磁鐵同樣是具有高磁密特性的稀土永磁材料,所以在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對(duì)轉(zhuǎn)子磁場的影響可忽略不計(jì)。在結(jié)構(gòu)上,它相當(dāng)于一種多極對(duì)數(shù)的交流永磁同步電機(jī)。由于輸入是三相正弦電流,因此產(chǎn)生的空間磁場呈圓形分布,而

5、且可以以永磁式同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型分析三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。為便于分析,可做如下假設(shè):(1飽和效應(yīng)忽略不計(jì);(2磁滯電流及渦流損耗不計(jì);(3激磁電流無動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。圖1示出了三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的簡單結(jié)構(gòu)模型。U、V、W為定子上的3個(gè)線圈繞組,3個(gè)線圈繞組的軸線成120b。電機(jī)單相繞組通電的時(shí)候,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為T=f(i,H,其中,i為繞組中通過的電流;H電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。 圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖由于磁飽和效應(yīng)可以忽略不計(jì),并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是圓筒形,其功角特性為嚴(yán)格的正弦,即T =k #i #sin H若理想的電流源以恒幅值為I 的三相平衡電流i u 、i v 、i w 供

6、給電樞繞組,即i u =I #sin X ti u =I #sin (X t +2P /3i u =I #sin (X t +4P /3則電機(jī)各相電流產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為:T u =kI #sin X t #sin H AT u =kI #sin (X t +2P /3#sin (H A +2P /3T u =kI #sin (X t +4P /3#sin (H A +4P /3穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),H =X t,則三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩為:T =T u +T v +T w =K c #I以上分析表明,對(duì)于三相永磁同步電動(dòng)機(jī),當(dāng)三相繞組通入相差120b 的正弦電流時(shí),由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)

7、矩為恒值。同時(shí)可以看出,因?yàn)椴捎昧祟愃迫嘤来攀酵诫妱?dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式,三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的空間磁勢不再是二相或五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)磁場,從而具有了類似于交流伺服電機(jī)的運(yùn)行特性,這為改善步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制性能提供了保證。3 三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)框圖如圖2所示,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由以功率半導(dǎo)體器件組成的主 回路和邏輯器件組成的控制電路構(gòu)成。圖2 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖(1主回路部分驅(qū)動(dòng)器的主回路采用交直交電壓型逆變器形式,由不控整流橋、濾波器、逆變器以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等組成。不控整流橋和濾波電容器一起構(gòu)成直流電壓源,完成恒頻恒壓(C FC V交流電源到直流

8、電源的變換。不控整流由功率二極管完成,其中輸入為220V 、50Hz 交流電,輸出直流電壓為300V 。逆變器實(shí)現(xiàn)從直流電到變頻變壓(VFVV交流電的轉(zhuǎn)換,為三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組提供要求的交流電流。逆變器由三菱公司生產(chǎn)的20A 、1200V 功率模塊組成。該模塊內(nèi)部集成了6只IGB T,構(gòu)成三相全控逆變橋。驅(qū)動(dòng)器采用兩只霍爾電流傳感器檢測步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相電流的瞬時(shí)值。(2控制電路部分驅(qū)動(dòng)器的控制部分由3部分組成:電流指令發(fā)生器、電流閉環(huán)控制器以及故障保護(hù)電路。電流指令發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,其輸入信號(hào)包括輸入的步進(jìn)脈沖信號(hào)SP 、正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)U/D 、使能控制信號(hào)E N 和細(xì)分控制信號(hào)

9、MIC,另外還有步數(shù)選擇開關(guān)和相電流幅值選擇開關(guān)。其中,輸入信號(hào)可以由CNC 系統(tǒng)或其他控制系統(tǒng)給出,接口采用RS422差動(dòng)輸入方式,這具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 圖3 電流指令發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖在實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)三相正弦電流雙向流過步 圖4 流入電機(jī)繞組的三相階梯狀電流進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組時(shí),若對(duì)正弦電流進(jìn)行階梯函數(shù)控制(如圖4所示,則階梯函數(shù)的每一階與電動(dòng)機(jī)的每一步相對(duì)應(yīng),電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)就由每一個(gè)周期正弦電流的階梯數(shù)和電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)決定。雖然從理論上電機(jī)每一轉(zhuǎn)的步數(shù)可以做到很高,但考慮到實(shí)際應(yīng)用的情況,系統(tǒng)選擇了10倍細(xì)分功能。步數(shù)選擇用波段開關(guān)設(shè)置,通過和細(xì)分控制信號(hào)的配合,可設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的

10、每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、300、600(無細(xì)分、2000、3000、6000(細(xì)分。相電流選擇控制也由波段開關(guān)設(shè)置,它可以調(diào)整步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相電流設(shè)置值在1/41倍額定電流之間變化。循環(huán)計(jì)數(shù)器采用可編程邏輯器件GAL,兩片E PROM 中存放了產(chǎn)生各相電流的正弦量化數(shù)據(jù)。D/A 轉(zhuǎn)換采用并行輸入8位精度的AD7524。電流閉環(huán)控制部分采用模擬運(yùn)算放大器構(gòu)成比例調(diào)節(jié)器(P 方式。調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)和三角載波信號(hào)比較,生成驅(qū)動(dòng)功率器件開通關(guān)斷的SP -W M 信號(hào),功率器件的開關(guān)頻率為15kHz 。為了保證系統(tǒng)安全運(yùn)行,設(shè)計(jì)了如圖5所示的系統(tǒng)故障檢測及保護(hù)電路,其保護(hù)功能如下:圖5 故障檢測及保護(hù)邏輯1直流過電

11、壓。當(dāng)主電路的母線直流電壓高于某特定值時(shí),會(huì)危及功率器件、電機(jī)以及濾波電容器的安全。因此直流電壓過高時(shí),設(shè)計(jì)了直流過電壓保護(hù)電路。2熔斷器熔斷保護(hù)當(dāng)熔斷器因故熔斷時(shí),驅(qū)動(dòng)器顯示故障報(bào)警。3控制電源欠壓?？刂齐娫措妷哼^低,會(huì)引起控制信號(hào)紊亂,驅(qū)動(dòng)器有可能發(fā)生誤動(dòng)作。為此設(shè)計(jì)了欠壓保護(hù),在欠壓故障發(fā)生時(shí),停止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作,以保護(hù)逆變器功率器件。4短路過電流當(dāng)逆變器的橋路中通過了較大的電流或者驅(qū)動(dòng)器的輸出引線發(fā)生短路時(shí),應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆绞疥P(guān)斷IGB T 工作,這種保護(hù)由驅(qū)動(dòng)模塊EXB840實(shí)現(xiàn)。 另外,在系統(tǒng)進(jìn)入真正運(yùn)行前,為確保逆變器功率器件的安全,驅(qū)動(dòng)器的上電初始狀態(tài)將封鎖所有逆變器開關(guān)信

12、號(hào)。一旦接收到使能控制信號(hào),封鎖信號(hào)即被解除,控制系統(tǒng)才可以進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí),故障繼電器斷開,可以保護(hù)主電路的安全。4 系統(tǒng)測試結(jié)果和結(jié)論為了檢驗(yàn)所研制生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制性能,這里將驅(qū)動(dòng)器和華中科技大學(xué)電機(jī)廠研制的110B TG350A 型三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(額定電壓300V 、額定電流411A 、最大力矩8N #m進(jìn)行了配接測試,測量的矩頻特性如圖6所示。系統(tǒng)的測試結(jié)果表明,和以往的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器相比,三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能有了明顯的提高,低頻運(yùn)行非常平穩(wěn),系統(tǒng)最低轉(zhuǎn)速可達(dá)到011r/min,最高轉(zhuǎn)速1500r/min,指令輸入頻率最高為150kH

13、z,正反轉(zhuǎn)均能穩(wěn)定運(yùn)行。由于采用高開關(guān)功率器件和細(xì)分技術(shù),系統(tǒng)噪聲和振動(dòng)大大降低,達(dá)到了一般伺服系統(tǒng)的運(yùn)行性能。圖6 8N #m 步時(shí)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性曲線參考文獻(xiàn)1 錢昱明,侯惠芳.步進(jìn)電機(jī)可變細(xì)分SP WM 運(yùn)行方法.微特電機(jī),1995(5:27292 毛希祥,金念祖.數(shù)字式脈寬調(diào)制在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用.微特電機(jī),1988(2:2427特電機(jī),1993(1:3033.t 易長松 工程師,1986年畢業(yè)于原華中理工大學(xué)自動(dòng)控制系,現(xiàn)工作于華中科技大學(xué)電力工程系。未來十年是我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期信息產(chǎn)業(yè)部部長吳基傳在近日舉行的海峽兩岸信息技術(shù)與微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì)上強(qiáng)調(diào),未來10年是我國

14、發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵時(shí)期,我國將把微電子產(chǎn)業(yè)作為重中之重,優(yōu)先扶植發(fā)展。吳基傳說,在新的世紀(jì)里,經(jīng)濟(jì)全球化和信息網(wǎng)絡(luò)化的步伐進(jìn)一步加快,以微電子、計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的信息技術(shù),是現(xiàn)代科技進(jìn)步中發(fā)展最快、滲透性最強(qiáng)、應(yīng)用性最廣的關(guān)鍵技術(shù)。它的廣泛應(yīng)用,使信息成為重要的生產(chǎn)要素和戰(zhàn)略資源,成為推動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力。大力發(fā)展信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè),加快推進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化,已成為世界各國科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和政治競爭的焦點(diǎn),成為各國綜合國力較量的一個(gè)重要方面。吳基傳指出,微電子是信息技術(shù)的核心和基礎(chǔ),是世界高科技競爭的熱點(diǎn)之一。隨著信息化的不斷推進(jìn),微電子技術(shù)在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、乃至人民生活各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛,對(duì)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、帶動(dòng)工業(yè)化發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。目前,我國微電子產(chǎn)業(yè)已具備一定的發(fā)展基礎(chǔ),芯片生成技術(shù)達(dá)到8英寸0135微米水平,形成了由7個(gè)芯片生產(chǎn)骨干企業(yè)、十幾個(gè)封裝廠、幾十家設(shè)計(jì)公司、若干個(gè)關(guān)鍵材料及專用設(shè)備儀器制造廠組成的產(chǎn)業(yè)群體,在地域上呈現(xiàn)相對(duì)集中的趨勢,即主要分布在蘇浙滬、京津和粵閩地區(qū)。吳基傳強(qiáng)調(diào),要清醒地看到,目前我國微電子產(chǎn)業(yè)無論是技術(shù)水平還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模,都相對(duì)滯后。加快微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展,已經(jīng)成為整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之