CN107317530A - 整步步距角2．4°的三相高速步进电机驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种整步步距角2.4°的三相高速步进电机驱动器，包括：主控制CPU、脉冲控制信号输入接口电路、电流采样单元及调理单元、开关电源及电源输入EMI电路、6路PWM信号输出隔离电路、主控功率模块及辅助电路、步进电机三相绕组U/V/W输出端、上电时序控制电路、掉电参数存储单元。本发明在自动化设备应用领域，具有定位需求的场合，或者调速的场合，将传统的步进电机驱动器的应用速度范围提升30‑50％，在某些要求频繁正反转的定位控制中，提供不可替换的应用解决方案，极大的提高了设备的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及步进电机驱动器，特别涉及一种整步步距角2.4°的三相高速步进电机驱动器。
背景技术
随着工业自动化领域的蓬勃发展，步进电机及驱动器在自动化设备上应用越来越广泛。主要归功于步进电机接线简单，在定位控制要求的场合使用方便，国产化程度高，配套齐全。在86基座及110、130基座的混合式步进电机的应用中(主要需求点为900RPM以内，高转矩、高响应、高性价比的定位控制，或者变频调速控制)，三相混合式步进电机应用最为广泛。在速度要求更高的场合，通常只有使用伺服电机及驱动器来实现定位与调速控制。
目前市场上常见的三相步进电机整步步距角1.2°。配套的步进电机驱动器也是基于整步步距角为1.2°的三相步进电机配置的。传统技术在中高速上，随着速度的增加，反电动势也随之增加，导致电流衰减，相应的力矩输出能力也下降较快。
为了提升步进电机的运行转速与力矩衰减，相对伺服驱动器低成本的应用方案，各厂家主要在电机后面加上编码器，用类似伺服的原理控制步进电机，防止丢步与提升抗负载扰动能力，即所谓的闭环步进电机驱动器。此种方法，因引入编码器的新装置，一是造成成本的上升，另外，编码器往往也会存在一些缺陷，如量测直线位移需依赖机械装置转换，需消除机械间隙带来的误差；检测轨道运行物体难以克服滑差，等等。
本发明中，所用到的技术术语——整步步距角的具体含义为：
三相混合式步进电机的转子有50齿，电机转动一圈为360°，需要50个完整的三相相位互差120°的正弦波电流实现。这样，每个完整的三相相位互差120°的正弦波电流可以使三相混合式步进电机转子转动7.2°(360/50＝7.2)。按照传统的节拍控制理论(详细的可以参看步进电机方面的基础知识介绍)，假定3相半桥的对应开关控制状态为A,B,C，则A,B,C的布尔状态组合有8种状态，即000,001,010,011,100,101,110,111。除掉000，111无效控制组合，则有6种状态组合。即步进电机转子转动7.2°由6种状态组合来完成，每种状态对应的电机转动角度为1.2°，即将此定义为整步步距角。传统的三相混合式步进电机的整步步距角为1.2°即由此而来。
同理，如果将三相混合式步进电机的转子做成25齿，则需要25个完整的三相相位互差120°的正弦波电流可以使三相混合式步进电机转子转动14.4°(360/25＝14.4)。步进电机的整步步距角则变成了2.4°，基于此电机的驱动器研发即为本发明专利所要进行的表述。目前配套的电机与相应的驱动器均为申请人提出设计思路，并在实际中得到应用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种整步步距角2.4°的三相高速步进电机驱动器。本发明主要在传统的基于整步步距角为1.2°的三相步进电机驱动器基础上，通过更改控制参数和控制算法，提升三相步进电机的中高速出力，达到高性能，高性价比的应用。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种整步步距角2.4°的三相高速步进电机驱动器，包括：主控制CPU、脉冲控制信号输入接口电路、电流采样单元及调理单元、开关电源及电源输入EMI电路、6路PWM信号输出隔离电路、主控功率模块及辅助电路、步进电机三相绕组U/V/W输出端、上电时序控制电路、掉电参数存储单元；
所述主控制CPU分别与脉冲控制信号输入接口电路、电流采样单元及调理单元、开关电源及电源输入EMI电路、6路PWM信号输出隔离电路、上电时序控制电路、掉电参数存储单元电性连接；
所述主控功率模块及辅助电路分别与电流采样单元及调理单元、步进电机三相绕组U/V/W输出端电性连接；
所述上电时序控制电路还分别与开关电源及电源输入EMI电路、6路PWM信号输出隔离电路、掉电参数存储单元电性连接；
该驱动器还包括一程序模块，用于采集当前驱动器工作参数及掉电参数存储单元所存储的上次掉电前相位记忆值，生成初始电流给定控制值，并循环电流相位检测，将更新的新相位予以写入存储。
优选地，该驱动器还包括：与主控制CPU电性连接的故障信号输出接口电路。
优选地，所述主控制CPU的型号为TMS320F2803X。
采用上述技术方案，本发明主要通过改变电机的制造结构，使同样转速下电机绕组上面的电流频率为之前的一半，相应的反电动势也降低为之前的一半，通过与专用的驱动器配合，即可降低步进电机的高速电流衰减幅度，提升高速出力效果。
在自动化设备应用领域，具有定位需求的场合，或者调速的场合，将传统的步进电机驱动器的应用速度范围提升30-50％，在某些要求频繁正反转的定位控制中，提供不可替换的应用解决方案(伺服驱动器也解决不了，具有延迟效应)，极大的提高了设备的生产效率。
附图说明
图1为本发明的硬件方框原理图；
图2为本发明所产生的波形图；
图3为本发明的实现原理图；
图4为本发明中的程序实现流程图；
图5为本发明中PWM周期中断程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
参照图1所示，本发明提供一种整步步距角2.4°的三相高速步进电机驱动器，包括：主控制CPU 1、脉冲控制信号输入接口电路2、电流采样单元及调理单元3、开关电源及电源输入EMI电路4、6路PWM信号输出隔离电路5、主控功率模块及辅助电路6、步进电机三相绕组U/V/W输出端7、上电时序控制电路8、掉电参数存储单元9；
所述主控制CPU 1分别与脉冲控制信号输入接口电路2、电流采样单元及调理单元3、开关电源及电源输入EMI电路4、6路PWM信号输出隔离电路5、上电时序控制电路8、掉电参数存储单元电性连接9；
所述主控功率模块及辅助电路6分别与电流采样单元及调理单元3、步进电机三相绕组U/V/W输出端7电性连接；
所述上电时序控制电路8还分别与开关电源及电源输入EMI电路4、6路PWM信号输出隔离电路5、掉电参数存储单元9电性连接；
该驱动器还包括一程序模块，用于采集当前驱动器工作参数及掉电参数存储单元9所存储的上次掉电前相位记忆值，生成初始电流给定控制值，并循环电流相位检测，将更新的新相位予以写入存储。
其中，该驱动器还包括：与主控制CPU 1电性连接的故障信号输出接口电路10。所述主控制CPU 1的型号为TMS320F2803X。
参考图2，其控制对象为整步步距角为2.4°的三相步进电机，即要求驱动器能够提供三相相位互差120°的正弦波电流，每个完整的360°电角度的三相相位互差120°的正弦波电流可以使三相混合式步进电机转子转动14.4°(360/25＝14.4)。图2所示的横坐标即为一个完整的360°电角度的三相相位互差120°的正弦波电流(1200点细化)，纵坐标为幅值的Q12格式(即标幺值1对应于4096)，对应的电机转动机械角度即为14.4°。
为获得上述的2.4°的三相步进电机，其具体的工作方式如下：
参考图3，主控制CPU 1运行程序模块，给定转动位置指令角度，生成三相电流相位值给定，通过快速矢量控制算法，将信号隔离输出(经由6路PWM信号输出隔离电路5)至主控功率模块及辅助电路6，至步进电机的U/V/W输出控制，其中，电流采样单元及调理单元3随时采集生成三相电流相位值、及主控功率模块及辅助电路6输出至步进电机的U/V/W输出控制的相位值。
参考图4，上述所述的程序模块，具体的实现流程如下：
开始启动之后，主控制CPU 1外设初始化，读取驱动器工作参数(电流/细分及工作模式配置等信息)，接着读取驱动器上次掉电前相位记忆值，生成初始电流给定控制值，再接着进入一主循环程序，即为：电流相位检测程序，相位如有更新则将新的相位值写入铁电存储单元。
参考图5，其给出6路PWM信号输出隔离电路5的PWM周期中断程序，具体为：中断进入，接着判断是否有外部脉冲，若是，则经过步骤：根据细分设置生成新的电流给定值，之后进入下一步，若否，则直接进入下一步，此处的下一步是：电流采样与标幺化处理，再接着的步骤为：得到反馈电流并进行快速矢量化控制算法，之后，生成PWM控制值并更新PWM控制值，最后中断返回。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种整步步距角2.4°的三相高速步进电机驱动器，其特征在于，包括：主控制CPU、脉冲控制信号输入接口电路、电流采样单元及调理单元、开关电源及电源输入EMI电路、6路PWM信号输出隔离电路、主控功率模块及辅助电路、步进电机三相绕组U/V/W输出端、上电时序控制电路、掉电参数存储单元；
所述主控制CPU分别与脉冲控制信号输入接口电路、电流采样单元及调理单元、开关电源及电源输入EMI电路、6路PWM信号输出隔离电路、上电时序控制电路、掉电参数存储单元电性连接；
所述主控功率模块及辅助电路分别与电流采样单元及调理单元、步进电机三相绕组U/V/W输出端电性连接；
所述上电时序控制电路还分别与开关电源及电源输入EMI电路、6路PWM信号输出隔离电路、掉电参数存储单元电性连接；
该驱动器还包括一程序模块，用于采集当前驱动器工作参数及掉电参数存储单元所存储的上次掉电前相位记忆值，生成初始电流给定控制值，并循环电流相位检测，将更新的新相位予以写入存储。
2.根据权利要求1所述的整步步距角2.4°的三相高速步进电机驱动器，其特征在于，该驱动器还包括：与主控制CPU电性连接的故障信号输出接口电路。
3.根据权利要求1或2所述的整步步距角2.4°的三相高速步进电机驱动器，其特征在于，所述主控制CPU的型号为TMS320F2803X。
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