三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計(jì)原理和控制詳解

1、上海日勻研自動化科技自2004年起致力丁三相混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器 的開發(fā),42系歹0低壓三相混合式步進(jìn)電機(jī),57系歹0低壓、高壓三相混合式步進(jìn) 電機(jī),86系歹0低壓、高壓三相混合式步進(jìn)電機(jī),110、130系歹0高壓三相混合式 步進(jìn)電機(jī),YK3605MATK3411MA YK3822MA YKA3722M待多款產(chǎn)品已成功應(yīng)用 丁市場.上海日勻研自動化科技生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)采用交流伺服 原理工作,轉(zhuǎn)子和定子的直徑比高達(dá) 50%高速時(shí)工作扭矩大,低速時(shí)運(yùn)行極其 平穩(wěn),幾乎無共振區(qū).其配套驅(qū)動器 YK3822M相有單相220V/50Hz輸入,三相 正弦輸出,輸出電流可設(shè)置,具有十細(xì)分和半流額定

2、值60他能；限制方式靈活, 有“脈沖+方向限制,也有“正轉(zhuǎn)脈沖+反轉(zhuǎn)脈沖限制方式；有過熱保護(hù)功能, 因此使用起來十分的方便.1. 前言步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)伺服運(yùn)動系統(tǒng)執(zhí)行元件,以脈沖方式進(jìn)行限制,輸出角位移. 與交流伺服電機(jī)及直流伺服電機(jī)相比, 其突出優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格低廉,并且無積累誤 差.但是,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行存在許多缺乏之處,如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高 等,乂嚴(yán)重制約了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍.步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與它的驅(qū)動器有密 切的聯(lián)系,可以通過驅(qū)動技術(shù)的改良來克服步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn).相對丁其他的驅(qū)動方式,細(xì)分驅(qū)動方式不僅可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角,提升分辨率,而且可以減少或消除低頻振動,使電機(jī)運(yùn)行更加平

3、穩(wěn)均勻.總體來說,細(xì)分驅(qū)動的限制效果 最好.由于常用低端步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)沒有編碼器反應(yīng), 所以隨著電機(jī)速度的升 高其內(nèi)部限制電流相應(yīng)減小,從而造成丟步現(xiàn)象.所以在速度和精度要求不高的 領(lǐng)域,其應(yīng)用非常廣泛.由于三相混合式步進(jìn)電機(jī)比二相步進(jìn)電機(jī)有更好的低速平穩(wěn)性及輸出力矩,所以三相混合式步進(jìn)電機(jī)比二相步進(jìn)電機(jī)有更好應(yīng)用前景. 傳統(tǒng)的三相混合式步進(jìn)電 機(jī)限制方法都是以硬件比擬器完成,本文主要講述使用DSP及空間欠量算法svpwM實(shí)現(xiàn)三相混合式步進(jìn)電機(jī)限制.2. 細(xì)分原理步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分限制從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)的定子繞組中電流的限制,使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場按某種要求變化, 從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距

4、角的細(xì)分. 最 佳的細(xì)分方式是包轉(zhuǎn)矩等步距角的細(xì)分. 一般情況下,合成磁場欠量的幅值決定 了電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小,相鄰兩合成磁場欠量的之間的火角大小決定了步距角的 大小.在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場, 各相繞組的合成磁場欠量,即各 相繞組電流的合成欠量應(yīng)在空間作幅值包定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,這就需要在各相繞相中 通以正弦電流.三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理十分類似丁交流永磁同步伺服電機(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 流對轉(zhuǎn)子磁場的影響可忽略不計(jì). 在結(jié)構(gòu)上,它相當(dāng)丁一種多極對數(shù)的交流永磁 同步電機(jī).由丁輸入是三相正弦電流,因此產(chǎn)生的空間磁場呈圓形分

5、布, 而且可 以用永磁式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型圖 1分析三相混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性. 為便丁分析,可做如下假設(shè)：a. 電機(jī)定子三相繞組完全對稱；b. 磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì)；c. 激磁電流無動態(tài)響應(yīng)過程.圖1三相永磁同步電機(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120.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,theta ).其中,i為繞組中通過的電流；theta為電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度.由丁磁飽和效應(yīng)可以忽略不計(jì), 并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是圓形,其矩角特性為嚴(yán)格的正弦,即：T=k *I*sin (theta ) , k 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)假設(shè)理想的電流源

6、以包幅值為I的三相平衡電流iU、iV、iW供應(yīng)電機(jī)繞組,即： iU=I*sin (wt)iV=I*sin (wt+2*PI/3 )iW =I*sin (wt+4*PI/3 )那么電機(jī)各相電流產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為：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 )穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),theta=wt ,那么三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩為：T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin (PI/2-wt+theta ) =3/2*k*I

7、以上分析說明,對丁三相永磁同步電機(jī),當(dāng)三相繞組輸入相差120.的正弦電流 時(shí),由丁在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為包值.因此,將交流伺服 限制原理應(yīng)用到三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中,輸入的 220V交流,經(jīng)整流后 變?yōu)橹绷?再經(jīng)脈寬調(diào)制技術(shù)變?yōu)槿冯A梯式正弦波形電流,它們按固定時(shí)序分別流過三路繞組,其每個(gè)階梯對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一步.AfA通過改變驅(qū)動器輸出正弦電流的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,而輸出的階梯數(shù)確定了每 步轉(zhuǎn)過的角度,當(dāng)角度越小的時(shí)候,那么其階梯數(shù)就越多,即細(xì)分就越大,從理 論上說此角度可以設(shè)得足夠的小,所以細(xì)分?jǐn)?shù)可以是很大,而交流伺服限制的每 步角度與反應(yīng)的編碼器的精度有很大的關(guān)系,一

8、般使用的為2500線,所以每一步轉(zhuǎn)過的角度僅為0.144度,而此方法限制的步進(jìn)電機(jī),比方其細(xì)分?jǐn)?shù)為10000, 那么每一步轉(zhuǎn)過的角度為0.036度,所以比一般的伺服限制精度高很多. 當(dāng)然,步 進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動勢,頻率越高,反向 電動勢越大.在它的作用下,電機(jī)隨頻率或速度的增大而相電流減小,從 而導(dǎo)致力矩下降,通過包流方式可以使在電機(jī)低頻和高頻時(shí)保持同樣的相電流從而使高頻的力矩特性有所改善,這只能是在低速時(shí),所以其綜合性能上下速噪 聲,高速力矩,高速平穩(wěn)性等彳艮難趕超交流伺服限制系統(tǒng).%圖2給出相差120.的三相階梯式正弦電流三相混合式步進(jìn)電機(jī)一般把三相繞組連接

9、成星形或者三角形,根據(jù)電路根本定理,三相電流之和為零.即IU+IV+IW =0.所以通常只需產(chǎn)生兩相繞組的給定信 號,第三相繞組的給定信號可由其它兩相求得. 同樣,只需要對相應(yīng)兩相繞組的 實(shí)際電流進(jìn)行米樣,第三相繞組的實(shí)際電流可根據(jù)式求得.3.三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的系統(tǒng)構(gòu)成驅(qū)動器的總體方案如圖3所示,主要包括單片機(jī)電路、電流追蹤型SPWMfe路和 功率驅(qū)動電路組成.圖3驅(qū)動器的整體框圖3.1 DSP模塊設(shè)計(jì)在這里,我們選擇了 TI公司的DSP作為CPM片,DSP Digital SignalProcessor實(shí)際上也是一種單片機(jī),它同樣是將中央處理單元、控限制單元和 外圍設(shè)備集成到一塊芯片

10、上.但它乂有自身鮮明的特點(diǎn)一一由于采用了多組總線 技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行的機(jī)機(jī)制,從而大大提升了運(yùn)算速度,具有更強(qiáng)的運(yùn)算水平和 更好的實(shí)時(shí)性.本文選用的 DSPTMS320LF2407A是一款電機(jī)限制專用芯片, 144引腳,具有豐富的IO資源,含有四個(gè)通用定時(shí)器,具有兩路專用丁限制三 相電機(jī)的PW噬生器可產(chǎn)生六路PW峭號,另外還有專用接收外部脈沖和方 向的I/O 口,從而簡化了電路設(shè)計(jì)和程序開發(fā).DSP俞入信號包括步進(jìn)脈沖信號CP方向限制信號、脫機(jī)信號,過流保護(hù)信號. 這幾種信號均通過高速光耦連接到 DSP的引腳上,另外還有細(xì)分步數(shù)及電流選擇 信號.當(dāng)脫機(jī)信號為有效時(shí),驅(qū)動器輸出到電機(jī)的電流被切斷,

11、 電機(jī)轉(zhuǎn)子處丁自 由狀態(tài)脫機(jī)狀態(tài).反應(yīng)電流通過DSP自帶的的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD采樣, 反應(yīng)的電流通過一定的算法后,由 DSP自帶的PWMP輸出限制電機(jī). 3.2電流追蹤型回路這種傳輸方式以模擬電壓的幅值代表采樣電流或者電壓的大小,其主要用來采樣a, b兩相電流及母線電壓檢測,實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流限制以及過壓、欠壓、過流保護(hù).驅(qū)動器通過采樣電阻檢測步進(jìn)電機(jī)繞組的實(shí)際電流,與設(shè)定電流相比擬后經(jīng)過滯環(huán)比擬器調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器輸出信號由 20KHz頻率的三角波載波輸出,形成脈寬 調(diào)制信號PWM,通過功率驅(qū)動接口電路來限制大功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通與關(guān) 斷,使步進(jìn)電機(jī)的繞組實(shí)際電流跟蹤給定參考信號,按給定的正弦規(guī)律變

12、化.3.3功率驅(qū)動電路驅(qū)動器的主回路采用交-直-交電壓型逆變器形式,由整流濾波電路、三相逆變器 以及步進(jìn)電機(jī)等組成.整流濾波電路構(gòu)成直流電壓源,完成220U 50Hz交流電源到直流電源的變換.逆變器實(shí)現(xiàn)從直流電到變頻變壓交流電的轉(zhuǎn)換,為三相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子繞組提供要求的交流電流.逆變器由仙童公司生產(chǎn)的六只 G30N60B3DMOS&成,構(gòu)成三相逆變橋.驅(qū)動器采用兩只電阻檢測步進(jìn)電機(jī)相 電流的瞬時(shí)值.功率驅(qū)動電路的核心是功率模塊MO爭.MO 與電流追蹤型PWM俞出之 間必須通過專用高速光耦連接.根據(jù)MOST的過流值和電機(jī)峰值線電流來選用合 適的MO%,即電機(jī)的線電流的峰值小丁 MO箏的最大電

13、流值.本設(shè)計(jì)中電機(jī)最 大相電流為8.1A,該電流是相電流的有效值,峰值相電流為 8.1* sqrt 2= 11.312A.此外,電機(jī)繞組在三角形接法時(shí),線電流是相電流的3倍,所以線電流峰值為19.6A.由G30N60B3DPDF檔知,其最大流值為 30A,故可以保證正 常使用,正常工作要求適當(dāng)?shù)纳嵩O(shè)計(jì)保證內(nèi)部結(jié)溫永遠(yuǎn)小丁150攝氏度,因此要外加散熱器并強(qiáng)制風(fēng)冷,以保證 MOST正常工作.3.4并口通訊為了防止在限制過程中停電或者其它特別原因掉電時(shí)造成損失,使用帶電 RAM 存儲電機(jī)位置,保證來電后工件可繼續(xù)完成加工.并口RAM匕傳統(tǒng)使用的E2ROM速度傳輸更快更可靠,可更有效的記錄電機(jī)運(yùn)行狀

14、態(tài),但占用CPLK I/O 口較多, 這里CPUW足夠的資源可以使用.3.5限制軟件流程圖4主程序流程圖否 加 PWM矢斷PWM并宜保護(hù)燈一圖5中斷局部的流程圖為減少功耗和保護(hù)電機(jī),設(shè)置了自動半流功能,它由滯環(huán)比擬器自動進(jìn)行調(diào)節(jié).4.結(jié)論實(shí)踐證實(shí)本文所講的驅(qū)動方法其適應(yīng)性很強(qiáng),根本上可以適應(yīng)所有的三相混合式 步進(jìn)電機(jī).特別對三相繞組星形接法,低頻時(shí)運(yùn)行平穩(wěn),無振蕩,有效地抑制了 振蕩、噪聲.另外,驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路,使整個(gè)驅(qū)動器的可靠性大大一、三相混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動原理1.工作原理根據(jù)三相混合式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理可知,在平面轉(zhuǎn)矩的欠量表示方法中,用T_U表示相繞組正向通電時(shí)產(chǎn) 生的

15、電磁轉(zhuǎn)矩,當(dāng)U相繞組反向通電時(shí),產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩匕上述情況相反,用(?)_U,表 示：那么T_M (?)_V和T_W _可分別表示V相和Wffi繞組正、反相通電時(shí)諦產(chǎn) 生的電磁轉(zhuǎn)矩,T_U、T_U T_W匕個(gè)轉(zhuǎn)矩欠量之間相互差120度電角度.即T_U T_U T_W (?)_U、(?)_V、(?)_W六個(gè)轉(zhuǎn)矩欠量之間相互差 60度電角度.上海日勻研專業(yè)生產(chǎn)二、四相混合式步進(jìn)電機(jī),混合式細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,三相 混合式步進(jìn)電機(jī),三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,并根據(jù)客戶要求訂做正齒輪減速 步進(jìn)電機(jī),行星減速步進(jìn)電機(jī),絲杠步進(jìn)電機(jī),直線步進(jìn)電機(jī),給予求購步進(jìn)電 機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器單位的單位優(yōu)惠的步進(jìn)電機(jī)價(jià)格,

16、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器價(jià)格,上海日勻研除了銷售步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品,還提供步進(jìn)電機(jī)單軸限制器,步進(jìn)電機(jī)雙軸限制 器,步進(jìn)電機(jī)三軸限制器,并針對用戶開發(fā)步進(jìn)電機(jī)限制系統(tǒng),用戶可以在中國步進(jìn)電機(jī)網(wǎng)觀察步進(jìn)電機(jī)資料,步進(jìn)電機(jī)圖片,步進(jìn)電機(jī)價(jià)格.上海日勻研的步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品,20BYG25O28BYG25O35BYG25039BYG35042BYG250 42BYG35Q 56BYG250 57BYG250 57BYGH25060BYG250 86BYG250 86BYGH250 85BYG25090BYG25090BYG350110BYG250110BYGH250110BYG350130BYG250 130BYG350等步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器產(chǎn)品可以替代目前市場上相近的步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品：YKA2204MAYKA2304MEYKA2304MF YKA2404MA YKA2608MGYKA3611MA YKA3722MA YKA3606MA 2HB504M A2HB504MA E2HB605MA E2HB1108MA E YAK2811MA D3HB68M MC881C , Q2HB44MA(B) Q2HB44MC(D) Q2HB68MG(H) HB220M MC8