CN203660949U - 一种接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，包括整流和逆变电路、电流采样电路、辅助电源、DSP主控单元、通讯接口和人机交互单元；所述辅助电源与整流和逆变电路、DSP主控单元连接；整流和逆变电路与DSP主控单元连接；电流采样电路分别连接步进电机和DSP主控单元；通讯接口分别连接DSP主控单元和数控装置；人机交互单元与DSP主控单元连接。本实用新型通过通讯接口接收数控装置发出的正交脉冲指令，可以使数控装置在发出相同频率的脉冲指令时，分辨率提高四倍，细分数相应地提高四倍，不仅提高了控制精度，它还平滑了脉冲指令，提高了三相混合式步进电机的运行平稳性，减少三相混合式步进电机的震动。

Description

一种接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器

技术领域

本实用新型涉及一种接收数控装置正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器。

背景技术

作为一种把数字电脉冲信号转换为机械角位移的机电元件，步进电机具有控制简单、价格低、维护容易、定位精度高、无累积位置误差、可自锁、控制成本低等特点而得到广泛应用。其中混合式步进电机兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小，成为使用最为普遍的工业用步进电机。但步进电机存在许多不足，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，严重制约了步进电机的应用范围。

传统控制策略在三相混合式步进电机定子绕组中施加的电压为脉冲式，电流不连续。如三相混合式步进电机工作在三相六拍状态时，电机定子各相绕组的电流在一个周期内仅有六种状态，每一种状态对应电机的相应位置，电流状态按一定顺序依次改变。在三相六拍状态下，电机每一个齿距被分为六步，即电机移动六拍走完一个齿距。如果电机转子有50个齿，则在三相六拍状态下，电流从一种状态切换到另一种状态电机转子旋转1.2度，对应电角度60度。在传统控制策略下，电机步距角大。在低速运转情况时，电机从一个稳态位置运行到另一个稳态位置将有较多的动能剩余。剩余动能将使电机转子在稳态平衡位置来回摆动，造成电机震动。在高速运转情况下，由于每步步距角较大，电机从一个位置移动到另一个位置所需的动能较大，容易造成电机堵转。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，可以有效提高三相混合式步进电机驱动器的细分数，减少电机的电角度，不仅提高了控制精度，并且三相混合式步进电机运行更平稳，减少三相混合式步进电机的震动。

本实用新型所提供的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，其特征在于：包括整流和逆变电路、电流采样电路、辅助电源、DSP主控单元、通讯接口和人机交互单元；所述辅助电源与所述整流和逆变电路、DSP主控单元连接；所述整流和逆变电路与所述DSP主控单元连接；所述电流采样电路分别连接步进电机和所述DSP主控单元；所述通讯接口分别连接所述DSP主控单元和数控装置；所述人机交互单元与所述DSP主控单元连接。

所述整流和逆变电路包括整流电路和逆变电路；所述整流电路包括单相不可控整流桥和滤波电容；所述逆变电路包括智能功率模块IPM和控制信号电平匹配隔离电路。

所述电流采样电路为电阻采样电路，所述电阻采样电路包括采样电阻、光耦隔离放大电路、集成运算放大电路、移位电路和限幅电路。

所述辅助电源为反激式开关电源，包括高频变压器、控制芯片TOP224、整流滤波电路和反馈电路。

所述反馈电路包括电阻分压网络、TL431芯片和光耦反馈。

所述DSP主控单元为tms320f2803x芯片，包括ADC模块、PWM模块、SPI模块、QEP模块、CPU内核和存储单元；所述ADC模块与所述电流采样电路连接；所述SPI模块与外部存储器连接；所述QEP模块与所述通讯接口连接。

所述人机交互单元由4个按键和4个数码显示管组成。

本实用新型所提供的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器通过通讯接口接收数控装置发送的正交脉冲指令，可以使数控装置在发出相同频率的脉冲指令时，分辨率提高四倍，细分数相应地提高四倍，如：传统的数控装置一个脉冲代表1微米，那么正交指令脉冲解码后一个脉冲代表0.25个微米，控制精度提高了四倍。正交脉冲指令不仅提高了控制精度，它还平滑了脉冲指令。如在恒速运行时，所述三相混合式步进电机驱动器接收脉冲指令更加均匀，从而提高了三相混合式步进电机的运行平稳性，减少三相混合式步进电机的震动。

附图说明

图1为本实用新型硬件电路结构示意图；

图2为智能功率模块IPM电路示意图；

图3为自举电源工作原理示意图；

图4为电流采样电路示意图；

图5为辅助电源结构示意图；

图6为DSP控制总体框架图；

图7为图6所示的主循环流程图；

图8为PWM中断子程序流程图；

图9为传统脉冲指令时序示意图；

图10为正交脉冲指令时序示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所提供的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器包括整流和逆变电路、电流采样电路、辅助电源、DSP主控单元、通讯接口和人机交互单元；辅助电源与整流和逆变电路连接；所述整流和逆变电路与所述DSP主控单元连接；所述电流采样电路分别连接步进电机和所述DSP主控单元；所述通讯接口分别连接所述DSP主控单元和数控装置；所述人机交互单元与所述DSP主控单元连接。

辅助电源为一种把不稳定的高压直流电压源转换为多路稳定的低压直流电压源，辅助电源输出的多路稳定的直流电压源为驱动器中的各种电路提供工作电源，使其正常、稳定地工作。

通讯接口接收数控装置的正交脉冲指令，并转换为三相混合式步进电机的电角度；通讯接口为与数控装置通讯的接口，主要功能为接收数控装置的控制指令和反馈错误信息给数控装置。数控装置的控制指令为正交脉冲指令PLUSA和PLUSB。控制指令传输为差分传输，传输线为四条：PLUSA+、PLUSA-、PLUSB+、PLUSB-。PLUSA和PLUSB的相位互差九十度，PLUSA与PLUSB之间的相位关系决定三相混合式步进电机的旋转方向。如果PLUSA超前PLUSB九十度时，三相混合式步进电机正转，如果PLUSA超滞后PLUSB九十度时，三相混合式步进电机反转。正交脉冲指令通过解码，可以得到四倍的脉冲指令数，即把PLUSA和PLUSB四分频。正交脉冲指令比传统的脉冲加方向脉冲指令多包含四倍的信息。数控装置由于条件的限制，它能发出的指令脉冲最高频率是有限的。考虑到数控装置既要在低速下运行，又要在高速下运行，意味着三相混合式步进电机旋转一定角度或者移动一定距离时所需的指令脉冲数是有上限的。通讯接口通过接收正交脉冲指令，可以使数控装置在发出相同频率的脉冲指令时，能够接收到比传统脉冲指令形式分辨率高四倍的信息，也即细分数提高了四倍。如：传统的数控装置一个脉冲代表1微米，那么正交指令脉冲解码后一个脉冲代表0.25个微米，控制精度提高了四倍。正交脉冲指令不仅提高了控制精度，它还平滑了脉冲指令。如在恒速运行时，所述三相混合式步进电机驱动器接收脉冲指令更加均匀，从而提高了三相混合式步进电机的运行平稳性，减少三相混合式步进电机的震动。

细分控制策略下施加在电机各相绕组的电流在一个周期内有多个状态，细分数越高，一个周期内电流状态数越多。如果电机转子有50个齿，细分数为10000，则电流每个周期有200种状态，电流从一种状态切换到另一种状态电机转子旋转0.036度，对应电角度1.8度。在细分控制策略下，为保证输出力矩恒定，电流不是等额变化的，而是按正弦规律变化。细分控制策略减小了步距角，有效降低低速运行下电机从一种状态切换到到另一种状态时的动能，低速震动低，提高最高运行速度。

从理论上讲，细分数可以设为无穷大。细分数为无穷大时，三相混合式步进电机在匀速运行时输出的电流波形为相位互差120度的三相正弦波。在全数字式的三相混合式步进电机驱动器中无限细分是无法实现的。最大细分数主要受到数控装置脉冲指令分辨率、PWM周期、ADC采样分辨率、数值精度等的限制。其中数控装置脉冲指令分辨率影响最为明显。脉冲指令分辨率提高四倍，细分数就提高四倍。采用正交脉冲指令能有效地提高三相混合式步进电机驱动器的细分数，减小电机的电角度。三相混合式步进电机驱动器每个PWM周期计算一次电机电角度，若在一个PWM周期内接收到脉冲指令，则更改电机电角度，若没有接收到脉冲指令，则保持电机电角度不变。在中高速的条件下，一个PWM周期内可能接收到多个脉冲指令，对电机步距角影响较为明显。在智能功率模块安全工作的范围内，可适当缩短PWM周期，三相混合式步进电机驱动器的PWM周期为100us。三相混合式步进电机驱动器采用12位ADC采样模块，数值最高可精确到0.00000006，在现阶段条件下，再提高ADC采样分辨率和数值精度对最大细分数的影响不明显。

电流采样电路采样三相混合式步进电机的定子电流，并根据电流量的大小转换为相应的数字量。

DSP主控单元根据采样电流和电角度，通过CLARK变换和PARK变换，把abc轴上的三相正弦电流转换为d-q轴上的直流量；d-q轴直流量通过PID调节器调节后，通过IPARK变换和SVPWM算法，得出逆变电路的六个控制信号，控制逆变电路输出电压的占空比，直接调节逆变电路的输出电压，间接控制逆变电路的输出电流，形成电流闭环。定子绕组电流产生定子磁场，定子磁场与转子磁场相互作用，拖动转子移动或旋转，从而控制电机按要求移动到指定角度或位置，完成电脉冲信号到角位移或者线位移的转换。

人机交互单元可以方便修改、保存参数，监视驱动器内部关键变量等；所述的人机交互单元包含四个按键和四个数码显示管以及相应的电路。四个按键为输入接口，通过四个按键按下与否可以方便的修改、保存驱动器参数。人机交互单元可以方便地监控驱动器内部核心变量值，人机交互单元通过修改适当的参数，不需接收数控装置脉冲指令，可以使三相混合式步进电机自行运转，用于测试所述驱动器是否正常。

如图1、图2所示，整流和逆变电路包括整流电路和逆变电路，通过接收DSP主控单元的控制信号，把220伏或380伏工频交流电转换为步进电机所需的特定频率和幅值的三相正弦电流源。整流电路包括单相不可控整流桥，滤波电容。逆变电路包括智能功率模块IPM、控制信号电平匹配隔离电路等。智能功率模块IPM包含六个MOSFET管、门级控制电路、过流检测电路等。六个MOSFET管组成一个三相可控逆变桥，每两个MOSFET组成三相逆变桥的一个桥臂。门极控制电路接收PWM信号，并根据PWM信号的高低而开通或关断MOSFET管。同一个桥臂的上下两个MOSFET管不可以同时导通。当桥臂的上管导通时，此桥臂输出高电压Vdc，当桥臂的下管导通时，此桥臂输出0伏电压。

智能功率模块IPM接收光藕隔离PWM信号，控制内部三相逆变桥中MOSFET开关管的导通和关断，输出不同占空比的脉冲电压。在一个PWM周期中，脉冲电压共有六种有效组合，每一种有效组合可在电机中形成一个基本空间电压矢量。通过六个基本空间电压矢量的组合，可形成任意幅度和相位的合成电压矢量。通过电流闭环，实时调节合成电压矢量的相位和幅值，可在三相混合式步进电机定子绕组中产生圆形旋转的电流矢量。圆形旋转的电流矢量在三相混合式步进电机中产生圆形旋转的磁场，带动三相混合式步进电机的转子旋转。

智能功率模块IPM的输出电压U、V、W是浮动的，要使三相可控逆变桥的上管正常的开通和关断，需要三路自举电源（VB(U)，VS(U)）、（VB(V)，VS(V)）、（VB(W)，VS(W)）。自举电源的VS为浮动的，VB与VS的压差为稳定的15伏。自举电源主要包含电阻、二极管、电容等。如图3所示，自举电源的工作原理为：当三相逆变桥的下管导通时，VS的电平低于15V，二极管D1导通，15V电源为电容C1充电；当三相逆变桥的下管关断时，二极管D1关断，电容C1放电，为后级电路提供电流；由于三相逆变桥的开通关断周期短（100us），电容C1两端的电压可以基本保持15V不变。自举电源的电阻限制电容充电的电流大小，电容存储能量，为三相逆变桥的上管门极控制电路提供电源。

电流采样电路如图4所示，本实用新型采用电阻采样电路，流过电机定子电流在采样电阻上产生的压降，经过隔离放大移位后，送入DSP主控单元；DSP主控单元通过接收到的电压幅值还原流过电机定子的电流。上述电流采样电路包括采样电阻、光耦隔离放大电路、集成运算放大电路、移位电路、限幅电路。光耦隔离放大电路隔离强电与弱电，减少干扰，并放大采样电阻上产生的压降。集成运算放大电路和移位电路配合使特定幅值的电流得到特定幅值的电压，即1.65V代表0A电流，0V和3.3V分别代表负的最大电流和正的最大电流，从而使DSP主控单元易于还原流过电机定子的电流。限幅电路包括两个二极管，使送入DSP主控单元的电压不超过安全范围，从而保护DSP主控单元不因外界的干扰而损坏。

如图5所示，为辅助电源示意图。本实用新型所述的辅助电源为反激式开关电源，主要功能为把单路较稳定的高压直流电压源转换为多路稳定的低压直流电压源。上述辅助电源主要包括高频变压器、控制芯片TOP224、整流滤波电路和反馈电路等。高频变压器具有转换电压的作用，也有储能的作用。上述的高频变压器在控制芯片TOP224中的功率开关管开通时，原边电流持续增加，储存能量；当功率开关管关断时，高频变压器通过磁耦合把原边的能量传输到副边，使副边有电流输出，完成能量转换。整流滤波电路包括整流二极管、滤波电容等，整流二极管把低压交流电整流为低压直流电，滤波电容减小直流电压的波动。上述滤波电容除有滤波作用外，还有储能作用。反馈电路主要包括电阻分压网络、TL431芯片、光耦反馈等，电阻分压网络控制输出电压的大小，TL431芯片和光耦反馈部分相互配合放大输出电压的波动，并输入给控制芯片TOP224。控制芯片TOP224包括功率开关管和控制部分，控制芯片TOP224工作在固定的频率，控制部分通过接收上述反馈电路的反馈，实时调节输出PWM信号，控制功率开关管的开通和关断，从而使输出电压稳定。

本实用新型所述DSP主控单元可以采用tms320f2803x芯片。DSP主控单元主要包括ADC模块，PWM模块，SPI模块，QEP模块，CPU内核，存储单元等。ADC模块接收电流采样电路的输出，把模拟量转化为数字量，为DSP主控单元控制做好前级准备。SPI模块与外部EEPROM相连，实现各种参数的保存与调用，以方便重新上电时保持各种参数不变。QEP模块接收数控装置指令。DSP主控单元为本实用新型所述的三相混合式步进电机驱动器的控制软件承载体。如图6所示，控制软件主要包括系统初始化和变量初始化、主循环、XINT0中断子程序和PWM中断子程序。系统初始化为配置晶振、设置中断和初始化DSP主控单元的各个模块。变量初始化为设置系统核心变量，使所述三相混合式步进电机驱动器能正常工作。XINT0中断子程序由智能功率模块IPM报警输出触发，主要处理智能功率模块报警，关闭PWM输出，保护智能功率模块不被损坏。

如图7所示为主循环流程图，主循环主要包括按键检测处理、显示处理、欠压报警处理、三相混合式步进电机运行速度计算等。按键检测处理与显示相互配合，实现人机交互。欠压报警处理检测报警输入信号，并作相应处理。

如图8所示为DSP主控单元PWM中断子程序流程图，PWM中断控制为DSP控制的核心。PWM中断子程序是一个定时中断程序，中断周期为100微秒，实时性高，任何实时性要求较高的算法都设定在PWM中断子程序。PWM中断子程序主要包括ADC采样变换，CLARKE变换，PARK变换，PI计算，电角度计算，反PARK计算，SVPWM计算。ADC采样变换把模拟量转换为数字量，并做移位放大处理，在数值上还原流入三相混合式步进电机定子的电流值。ADC采样变换之后，通过比较ADC采样变换后的值与软件过电流设定值之间的大小，判断是否发生过电流报警。过电流报警检测的实时性有效保证了驱动器不因短时间的大电流而损坏。CALRKE变换和PARK变换把abc坐标系的三相正弦交流电流转换为d-q坐标系的直流电流，在软件算法上降低电流控制的难度。PI算法根据d-q坐标系的直流电流与给定电流的比较，调节输出量，通过闭环保证d-q轴直流量的稳定；由于三相混合式步进电机控制中电流噪声比较大，不宜采用微分运算，PI算法实为去掉微分的传统PID算法，在保证响应速度的同时，也保证稳态精度。反PARK变换把d-q轴上PI的输出反变换到不旋转直角坐标系                                                轴上，并通过SVPWM计算得出六路PWM控制信号，控制智能功率模块中六个MOSFET的导通与关断，从而控制输出电压，间接控制输出电流，实现电流闭环。

Claims (7)

1.一种接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，其特征在于：包括整流和逆变电路、电流采样电路、辅助电源、DSP主控单元、通讯接口和人机交互单元；所述辅助电源与所述整流和逆变电路、DSP主控单元连接；所述整流和逆变电路与所述DSP主控单元连接；所述电流采样电路分别连接步进电机和所述DSP主控单元；所述通讯接口分别连接所述DSP主控单元和数控装置；所述人机交互单元与所述DSP主控单元连接。

2.如权利要求1所述的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，其特征在于：所述整流和逆变电路包括整流电路和逆变电路；所述整流电路包括单相不可控整流桥和滤波电容；所述逆变电路包括智能功率模块IPM和控制信号电平匹配隔离电路。

3.如权利要求1所述的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，其特征在于：所述电流采样电路为电阻采样电路，所述电阻采样电路包括采样电阻、光耦隔离放大电路、集成运算放大电路、移位电路和限幅电路。

4.如权利要求1所述的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，其特征在于：所述辅助电源为反激式开关电源，包括高频变压器、控制芯片TOP224、整流滤波电路和反馈电路。

5.如权利要求4所述的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，其特征在于：所述反馈电路包括电阻分压网络、TL431芯片和光耦反馈。

6.如权利要求1所述的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，其特征在于：所述DSP主控单元为tms320f2803x芯片，包括ADC模块、PWM模块、SPI模块、QEP模块、CPU内核和存储单元；所述ADC模块与所述电流采样电路连接；所述SPI模块与外部存储器连接；所述QEP模块与所述通讯接口连接。

7.如权利要求1所述的接收正交脉冲指令的三相混合式步进电机驱动器，其特征在于：所述人机交互单元由4个按键和4个数码显示管组成。

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