河南机电高等专科学校

机电一体化    课程设计任务书

一、   课程设计题目：     三相步进电机驱动电源设计                               

二、   课程设计时间：     2008.01.01——200801.07                                       

三、   课程设计技术参数和任务要求：

四、 考核

目  录

1前言……………………………………………………………………………………2

2细分原理 ……………………………………………………………………………4

3 三相步进电机驱动器的系统构成……………………………………………  6

3.1、系统的硬件电路……………………………………………………………………6

 3.2.软件设计……………………………………………………………………………8

 3.3、驱动器系统电路……………………………………………………………………8

3.4功率驱动电路………………………………………………………………………9

3.5并口通讯……………………………………………………………………………10

3.6控制软件流程……………………………………………………………………… 10

4结论 ………………………………………………………………………………… 13

5参考文献 ……………………………………………………………………………13

机电一体化课程设计

三相步进电机驱动电源设计

摘 要：本文根据正弦电流细分驱动的原理，设计出三相混合式步进电机驱动电源，系统采用电流跟踪和脉宽调制技术，使电机的相电流为相位相差120°的正弦波，功率驱动电路采用六只mos管。该驱动电源解决了传统步进电机低速振动大、有共振区、噪音大等缺点，提高了步距角分辨率和驱动电源的可靠性。
关键词：混合式步进电机  细分驱动   软硬件设计
1 前言
    随着运动控制系统中数字化技术的发展与成熟，步进电机在工业自动化控制中得到广泛的应用。步进电机是一种完成数字/模拟转换的执行元件。步进电机区别于其他控制用途电动机的{zd0}特点是，步进电机接收数字控制信号（电脉冲信号），并将这些脉冲信号转换成与之相对应的角位移或直线位移。步进电机另一重要的特点是其必须与相应的驱动电路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和实际参数。因此，步进电机驱动电路的设计是步进电机控制系统中的关键部分。

步进电机是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。步进电机的运行性能与它的驱动电源有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或xx低频振动，使电机运行更加平稳均匀。总体来说，细分驱动的控制效果{zh0}。因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛。
因为三相步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，所以三相混合式步进电机比二相步进电机有更好应用前景。传统的三相混合式步进电机控制方法都是以硬件比较器完成，本文主要讲述使用dsp及空间矢量算法svpwm来实现三相步进电机控制。
2 细分原理
     步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。{zj0}的细分方式是恒转矩等步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。
    三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电机。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模型(图1)分析三相混合式步进电机的转矩特性。为便于分析，可做如下假设：
a.电机定子三相绕组xx对称；
b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计；
c.激磁电流无动态响应过程。

图1 三相永磁同步电机的简单结构模型
u、v、w 为定子上的3 个线圈绕组，3 个线圈绕组的轴线成 120°。电机单相绕组通电的时候，稳态转矩可以表达为：t=f(i,theta) 。其中，i 为绕组中通过的电流；theta为电机转子偏离参考点的角度。由于磁饱和效应可以忽略不计，并且转子结构是圆形，其矩角特性为严格的正弦，
即：t=k *i*sin（theta），k 为转矩常数
若理想的电流源以恒幅值为i 的三相平衡电流iu、iv、iw 供给电机绕组，
即：
iu=i*sin(wt)
iv=i*sin(wt+2*pi/3)
iw=i*sin(wt+4*pi/3)
则电机各相电流产生的稳态转矩为：
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)

稳态运行时，theta=wt，则三相绕组产生的合成转矩为：
t=tu+tv+tw=3/2*k*i*sin(pi/2-wt+theta)=3/2*k*i

    以上分析表明，对于三相永磁同步电机，当三相绕组输入相差 120°的正弦电流时，由于在内部产生圆形旋转磁场，电机的输出转矩为恒值。因此，将交流伺服控制原理应用到三相混合式步进电机驱动系统中，输入的220v 交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电机转动一步。通过改变驱动电源输出正弦电流的频率来改变电机转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，那么其阶梯数就越多，即细分就越大，从理论上说此角度可以设得足够的小，所以细分数可以是很大，而交流伺服控制的每步角度与反馈的编码器的精度有很大的关系，一般使用的为2500线，所以每一步转过的角度仅为0.144度，而此方法控制的步进电机，比如其细分数为10000，则每一步转过的角度为0.036度，所以比一般的伺服控制精度高很多。当然，步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降，通过恒流方式可以使在电机低频和高频时保持同样的相电流从而使高频的力矩特性有所改善，这只能是在低速时，所以其综合性能（高低速噪声，高速力矩，高速平稳性等）很难赶超交流伺服控制系统。

图2 给出相差120°的三相阶梯式正弦电流。

    三相步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，按照电路基本定理，三相电流之和为零。即iu+iv+iw =0 。所以通常只需产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可由其它两相求得。同样，只需要对相应两相绕组的实际电流进行采样，第三相绕组的实际电流可根据式求得。

3 三相步进电机驱动电源系统构成
3.1、系统的硬件电路

 本系统采用交－直－交电压型电路，分为主电源电路和控制电路两大块。主电源电路主要由整流桥、滤波电容及三相逆变桥组成；控制电路以TI的DSP芯片TMS320LF2407为核心，包括电流检测电路、驱动电路和控制信号接口电路。其系统硬件结构框图如3所示：

 从图３可以看出，本系统是一个有电流反馈的闭环系统［８］。系统参数由拨板开关设定，运动控制由其它控制电路传送的控制信号控制，控制信号主要有步进信号、方向信号和转矩解锁信号。DSP负责各相电流采样计算、电机位置计算，{zh1}运用矢量算法，得到电压空间矢量的PWM控制信号，经过光电隔离电路和驱动电路，驱动三相逆变桥。

HCPL-7800隔离运放是专门为电机驱动电流的检测设计的。电机电流通过一个外部采样电阻得到模拟电压，进入芯片。在隔离侧的另一边得到一个微分的输出电压。这个微分的输出电压正比与电机电流，通过一个光耦放大器转换成单端信号。对电机电流采样的应用电路如下图所示。  驱动电源的总体方案如图3 所示，主要包括单片机电路、电流追踪型spwm 电路和功率驱、电流追踪型SPWM电路和功率驱动电路组成。

3 2.软件设计
      系统控制软件由主程序和四个中断服务程序组成。主程序主要负责DSP的系统初始化、开机状态判别、各个变量的初始化和中断等待等任务。

 PWM中断服务子程序的主要任务就是：1、负责A、B两相的电流值的采样，并且实现A／D转换；2、由主序脉冲序数计算出位置和参考电流信息；3、根据测量值进行矢量变化和计算；4、SVPWM输出。XINT0中断服务子程序的任务是由步进信号和方向信号计算出主序脉冲序数。PDPINT中断服务子程序的任务是实现转矩解锁。掉电中断服务子程序是当系统发生断电的时候，及时的将系统运行信息保存。软件主程序流程图和PWM中断程序如下图所示：

    这种传输方式以模拟电压的幅值代表采样电流或者电压的大小，其主要用来采样a，b两相电流及母线电压检测，实现电机电流控制以及过压、欠压、过流保护。驱动电源通过采样电阻检测步进电机绕组的实际电流，与设定电流相比较后经过滞环比较器调节器，调节器输出信号由20khz 频率的三角波载波输出，形成脉宽调制信号(pwm)，通过功率驱动接口电路来控制大功率半导体器件的导通与关断，使步进电机的绕组实际电流跟踪给定参考信号，按给定的正弦规律变化。
3.3、驱动电源系统电路
                
      驱动电源系统电路由电压-频率变换电路LM331、脉冲分配器PMM8713和四电路通用运算放大器LM348等构成，如图4所示。外接电阻Rt、电容Ct、内部定时比较器、复零晶体管和R-S触发器等构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入的电压大于Ｖi-输入端的电压时，f０输出逻辑低电平。同时，电流源ＩＲ对电容ＣＬ充电。电源ＶＣＣ也通过电阻Ｒt对电容Ｃt充电。当电容Ｃt两端的充电电压大于ＶＣＣ的2/3时。输出端f0输出为逻辑高电平。此时，电容Cr通过内部电路放电；ＣＬ对电阻ＲＬ放电。当ＣＬ放电电压等于输入电压Ｖi时，输入比较器再次输出高电平，f０输出逻辑低电平。如此反复循环，构成自激振f０荡。根据电容上电荷平衡原理和相关的电学知识，我们可以推导出：f０＝Ｖi/(t１ＩＲＲＬ）。t１为充电时间，由定时元件Ct和Rt决定；IＲ为内部精密电流源输出电流。可得出输出频率f0和输入电压Vi成正比。从而由运动控制系统输出的可变电压信号经PMM8713变换后产生可变的频率信号，控制步进电机的转速。

  由LM331给出的输入指令是输入时钟f０和方向指令DIR，这两个指令在PMM8713中经逻辑组合转换各相通断的时序逻辑信号。PMM8713的相驱动输出端（PIN10～PIN13）的驱动电流达20mA以上，能直接驱动微型步进电机。Ｒ１、Ｃ１为开机时自动初始化电路。初上电的数十毫秒内R端为低电平，从而A～D端自动复位至初始状态（参见表1）。如果外接的步进电机功率较大，PMM8713输出驱动端驱动能力不够。此时应设计功率放大驱动电路，然后再驱动步进电机。PMM8713各相输出端的导通顺序逻辑信号送至功率驱动段转换成内部功率开关的基极（或栅极）驱动信号。步进电机驱动方式，按相绕组流过的电流是单向或双向，可分为单极性和双极性驱动。通常，三相步进电机采用单极性驱动。从功率驱动级电路来分析，又有电压驱动和电流驱动之分。本设计中采用串联电阻电压驱动方式。在相绕组中串接一定阻值和功率的电阻，一方面减小了绕组回路的时间常数，同时又对低频和静止工作时的电流进行限制。
  3.4功率驱动电路
    驱动电源的主回路采用交-直-交电压型逆变器形式，由整流滤波电路、三相逆变器以及步进电机等组成。整流滤波电路构成直流电压源，完成220v、50hz 交流电源到直流电源的变换。逆变器实现从直流电到变频变压交流电的转换，为三相混合式步进电机的定子绕组提供要求的交流电流。逆变器由仙童公司生产的六只g30n60b3dmos管组成，构成三相逆变桥。驱动电源采用两只电阻检测步进电机相电流的瞬时值。
    功率驱动电路的核心是功率模块(mos管)。mos管 与电流追踪型pwm 输出之间必须通过专用高速光耦连接。根据mos管的过流值和电机峰值线电流来选用合适的mos管，即电机的线电流的峰值小于mos管的{zd0}电流值。本设计中电机{zd0}相电流为8.1a，该电流是相电流的有效值，峰值相电流为8.1* sqrt(2) = 11.312a 。此外，电机绕组在三角形接法时，线电流是相电流的3 倍，所以线电流峰值为19.6a。由g30n60b3dpdf文档知，其{zd0}流值为30a,故可以保证正常使用，正常工作要求适当的散热设计保证内部结温永远小于150摄氏度，因此要外加散热器并强制风冷，以保证mos管正常工作。
3.5并口通讯：
     为了避免在控制过程中停电或者其它特别原因掉电时造成损失，使用带电ram存储电机位置，保证来电后工件可继续完成加工。并口ram比传统使用的e2rom速度传输更快更可靠，可更有效的记录电机运行状态，但占用cpu的i/o口较多，这里cpu有足够的资源可以使用。

3.6控制软件流程
（1）主程序流程图

（2）中断部分的流程图

为减少功耗和保护电机，设置了自动半流功能，它由滞环比较器自动进行调节。

4 结论

根据上述电路设计的步进电机驱动电源结构简单、成本低、性能稳定。实践证明本文所讲的驱动方法其适应性很强，基本上可以适应所有的三相混合式步进电机。特别对三相绕组星形接法，低频时运行平稳，无振荡，有效地抑制了振荡、噪声。另外，驱动电源内部设计多种保护电路，使整个驱动电源的可靠性大大提高。

5参考文献：

   ［1］郝鸿安.3-4相步进电机控制器5G8713［J］.《电子技术》，1991，8

  ［2］李华．MCS-51系列单片机实用接口技术［M］.北京航空航天大学出版社,1999,2

［3］吴红星，电机驱动与控制专用集成电路及应用，中国电力出版社，2006

［4］王松武，常用电路模块分析与设计指导，清华大学出版社，2007