三相混合式步进电机驱动器设计

三相混合式步进电机驱动器设计胡静1 丰宋波 2（1.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070；2.深圳纽科利核电工程有限公司，广东 深圳518124） 摘 要：为了提高三相混合式步进电机低频运行的稳定性、降低系统噪声和振动，设计了采用功率器件和细分技术的驱动器。

通过合理选择步进电机相绕组细分电流波形，增加步进电机运行的平稳性，具体的分析了控制电路的设计：电流指令发生器、电流闭环控制器以及故障保护电路。

关键词：混合式步进电动机；驱动器；细分技术中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2010）02-070-04早期的三相混合式步进电机驱动器是完全由模拟电路实现，硬件电路复杂。

随着电机驱动朝着数字化的方向发展，后来出现了数字与模拟相结合的三相混合式步进电机驱动 器[1]，随着高速DSP 的出现，电机控制朝着全数字控制[2]的方向发展。

一方面，由于采用全数字控制，硬件电路相当简单，成本低廉；另一方面，可以利用DSP 运算速度快、精度高和软件编程灵活的特点，采用合适的控制策略，提高驱动器的性能。

目前，步进电机驱动系统存在的主要问题之一是低频振荡。

步进电机在低速运行时易出现低频振动现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关，低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。

本文主要是针对步进电机低频整荡的问题，设计了采用功率器件和细分技术的驱动器。

1 驱动器设计三相混合式步进电机驱动器系统分为两大部分，一是主回路部分，二是控制回路部分。

驱动器结构框图如图1所示。

图1驱动器结构框图1.1主回路部分驱动器的主回路部分采用交直交电压型逆变器形式。

由不控整流桥、滤波器、逆变器以及三相混合式步进电动机等组成。

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。

不控整流桥由功率二极管完成，其中输入为220V、50Hz 交流电，输出直流电压为300V。

逆变器实现从直流到变频变压(VFVV)交流的转换，提供所要求的电流给三相混合式步进电机。

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。

1.2 控制回路部分驱动器的控制回路部分主要包括电流指令发生器、电流闭环控制器以及故障保护电路三部分。

电流指令发生器的输入信号包括脉冲输入信号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，脉冲输入信号可以由CNC 系统或其他控制系统给出，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。

电流指令发生器结构图如图2所示。

图2 电流指令发生器结构图实际运行中，当三相正弦电流流过步进电动机绕组时，若对正弦电流进行正弦量化控制(如图3所示)，则函数的每一阶梯与电机的每一步相对应，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。

虽然从理论上来说电机每一转的步数可以做得比较高，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。

图3 流入电机绕组的三相阶梯状电流1.2.1 总电流控制原理电流控制环节是三相混合式步进电动机恒总流驱动器的关键技术之一，它对步进电机的运行特性及驱动器的可靠性有显著影响。

其分为三个部分，第一部分总电流检测部分：图4中R S 为串在主回路的检测电阻。

I 0为总电流，V S = R S I 0为检测电阻上的压降，反映总电流的大小。

第二部分为低通滤波部分，Rt，Ct 为滤波电阻和电容，V 1= V ref 是与额定总电流对应的基准电压。

第三部分是三相混合式步进电动机恒总流驱动器电流控制环节。

V 1为V S经滤波后的电压信号。

V 1> V ref 时, 总电流超过限定值，比较器输出低电平，立刻对D 触发器清零，使D 触发器输出Q = 0，关断所有下桥功率管，使绕组电流减小。

当V 1< V ref 时，比较器输出高电平。

当恒频同步脉冲上升沿到来时，使D 触发器的输出Q 等于环形分配器产生的逻辑信号。

脉冲发生器产生脉冲信号，接到D 触发器的clock 端，用这一脉冲信号检测电流反馈信号和环分信号，使触发器的输出Q 为下桥环分信号K ，用Q 去控制下桥臂功率管的导通和关断，每来一个脉冲检测一次，实质上这是一种恒频逐个脉冲比较的定电流控制电路。

输入到功放桥的总线电流是相电流的合成，在电机的每次状态转换以及在某一状态时的斩波导通和斩波关断过程中，取样电阻上的取样电压都实时在检测总线电流，当取样电压大于参考电压时，电流反馈信号会关断所有下桥臂功率管，这时就会有绕组续流发生，续流电流与相电压方向相反，绕组电感储能向其余绕组回路和电源释放。

这意味着总线提供电流减少。

当总线电流减小到一定程度，使得取样电阻上的取样电压小于参考电压时，电流反馈信号会使下桥臂的功率管重新开通，电源电压提供的电流增加，总线电流又开始增加，而后重复上述过程。

这样总线电流在电机运行过程中基本保持恒定。

图4 电流控制环节1.2.2 电流闭环控制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SPWM 信号，功率器件的开关频率为15kHz。

1.2.3 故障检测及保护电路为了保证系统安全运行，设计了系统故障检测及保护电路，它主要有故障信号检测电路、故障记忆电路、故障显示等三个部分组成（如图5所示）。

其中故障信号检测会对传递来的模拟量和数字量分别进行检测，并各级设定的安全值比较，排列出要解决问题的优先等级，并把相关信息传递给故障记忆电路。

故障记忆电路由故障区别显示装置、故障记忆自锁装置、过流取样装置、断相检测装置、过流保护装置、堵转保护装置组成；其中，过流取样装置的输出端与过流保护装置的输入端相连，断相检测装置的输出端、过流保护装置的输出端、堵转保护装置的输出端分别与故障记忆自锁装置的输入端相连。

其保护功能如下：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，会对整个系统的安全造成一定影响。

因此直流电压过高时，设计了直流过压保护电路。

(2)熔断器熔断保护。

当熔断器因某些意外情况熔断时，驱动器显示故障报警。

(3)控制电源欠压。

控制电源电压比较低时，容易引起控制信号的紊乱，驱动器很可能发生误动作。

故设计了欠压保护，在欠压故障发生时，停止步进电机驱动器工作，保护驱动器的安全。

(4)短路过电流。

当逆变器的桥路中流过较大的电流时，要马上采取适当的方式关断IGBT工作，这种保护由驱动模块EXB840实现。

在系统进入真正运行前，驱动器的上电初始状态将封锁所有逆变器开关信号，以确保逆变器的安全。

一旦接收到使能控制信号EN，封锁信号即被解除，控制系统才进入工作状态。

有故障发生时，故障继电器断开，保护主电路的安全。

1.3 斩波恒流驱动恒流斩波驱动控制技术是目前步进电机控制的主流技术之一，斩波电路的出现是为了弥补高低压驱动电路波形呈凹形的缺陷，使电机的输出转矩的平均值基本恒定。

同时电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。

其电路结构如图1所示。

斩波驱动中，虽然电路较复杂，但是由于驱动电压较高，电机绕组回路又没有串入电阻，整个系统功耗下降很多，所以电流上升快。

当达到所需要的电流时，由于取样电阻的反馈作用，使绕组电流基本恒定，从而保证在很大的频率范围内电动机的输出转矩基本恒定。

而输出转矩是步进电机的一个重要性能指标，当我们使电机的绕组电流恒定在一个较高的数值时，就可提升电机的输出转矩。

图6 斩波恒流驱动原理图2 系统的软件部分系统采用矢量控制，在给定转子磁链的位置和两相电流的情况下，通过 PI 调节，实时控制步进电机的磁场和转矩，从而就能高效率、高精度的控制步进电机。

给定电流idref、iqref与反馈电流idfdb、iqfdb 之差，经 PI 调节之后输出电压参考量 Vdref和 Vqref，再经 PARK 逆变换到α-β坐标系下，就可以获得Vαref和 V-βref，以这两个量作为电压空间矢量法的输入。

其中的θ角可以通过对外部的脉冲计数得到。

只要θ角划分的足够细，就可以有效的抑制步进电机的振动。

根据控制系统框图和前面的分析，可得系统软件主要由以下六个部分组成：（1）系统初始化子程序；（2）主循环程序；（3）定时器 T1 下溢中断服务子程序；（4）捕获中断服务子程序；（5）功率驱动保护中断服务子程序；（6）掉电中断服务子程序。

由于 FSAM10SH60A 的开关频率为 15kHz，即开关周期为67sμ。

在程序运行时间允许的情况下，开关频率越高，则控制性能就越好，所以本系统电流环的采样周期就采用了 IPM的开关周期67sμ。

从而可知定时器 T1下溢中断服务子程序的调用频率为15kHz，每 67sμ 执行一次，程序中主要包括了电流检测子程序、电流调节子程序、SVPWM 调制子程序、CLARK 变换子程序、PARK 变换子程序、PARK逆（下转第83页）参考文献：[1] 西门子（中国）有限公司, SIEMENS．LOGO!手册（V6）[EB/OL]．/download/Upload/AS/manual/472-book.pdf[2] Uwe Graune, Mike Thielert and Ludwig Wenzl．LOGO! Practical Training [M]． Bildungshaus SchulbuchverlageWestermann Schroedel Diesterweg Schoeningh Winklers GmbH, Braunschweig, Germany，2009.作者简介：张子义（1959年-），男，高级工程师，研究方向：机电一体化，电机驱动及控制，单片机等。

（上接第72页）变换子程序以及系统的监测和故障处理模块等。

3 结束语根据前面的分析，本文主要针对三相混合式步进电机低频整荡的问题，设计了采用功率器件和细分技术的驱动器，具体地分析了控制电路的设计，通过适当选取相绕组细分电流波形，可增加步进电机运行的平稳性，但是对于故障检测及记忆电路如何有效地检测和记忆设计还有待完善，需要深入研究。