步进电机驱动器的关键技术分析

2013-12-26 14:41:25来源: 互联网

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度,无位置累积误差;特有的开环运行机制,与闭环控制系统相比降低了系统成本,提高了可靠性,在数控领域得到了广泛的应用。但是,步进电机在低速运行时的振动、噪声大,在步进电机的自然振荡频率附近运行时易产生共振,且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降,这些缺点限制了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器,改善驱动器的性能,可以显著地提高步进电机的性能,因此研制高性能的步进电机驱动器是一项普遍关注的课题。

  1 步进电机驱动控制系统概述

  通常情况下,步进电机驱动系统由3部分构成:

  ①控制电路。用于产生脉冲,控制电机的速度和转向。

  ②驱动电路。即本文的研究内容,由图1所示的脉冲信号分配和功率驱动电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号,为步进电机各绕组提供正确的通电顺序,以及电机需要的高电压、大电流;同时提供各种保护措施,比如过流、过热等。

  ③步进电机。控制信号经驱动器放大后驱动步进电机,带动负载。

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  2 步进电机驱动方法的比较

  2.1 恒电压驱动方式

  2.1.1 单电压驱动

  单电压驱动是指在电机绕组工作过程中,只用一个方向电压对绕组供电。如图2所示,L为电机绕组,VCC为电源。当输入信号In为高电平时,提供足够大的基极电流使三极管T处于饱和状态,若忽略其饱和压降,则电源电压全部作用在电机绕组上。当In为低电平时,三极管截止,绕组无电流通过。

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  为使通电时绕组电流迅速达到预设电流,串入电阻Rc;为防止关断T时绕组电流变化率太大,而产生很大的反电势将T击穿,在绕组的两端并联一个二极管D和电阻Rd,为绕组电流提供一个泄放回路,也称“续流回路”。

  单电压功率驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后,功耗加大,整个功率驱动电路的效率较低,仅适合于驱动小功率步进电机。

  2.1.2 高低压驱动

  为了使通电时绕组能迅速到达设定电流,关断时绕组电流迅速衰减为零,同时又具有较高的效率,出现了高低压驱动方式。

  如图3所示,Th、T1分别为高压管和低压管,Vh、V1分别为高低压电源,Ih、I1分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率,而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动可获得较好的高频特性,但是由于高压管的导通时间不变,在低频时,绕组获得了过多的能量,容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题,然而其控制电路较单电压复杂,可靠性降低,一旦高压管失控,将会因电流太大损坏电机。

  2.2 恒电流斩波驱动方式

  2.2.1 自激式恒电流斩波驱动

  图4为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压,与D/A转换器输出的预设值进行比较,控制功率管的开关,从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲,自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的,会使绕组激起很高的浪涌电压,因而对控制电路产生很大的干扰,容易产生振荡,可靠性大大降低。

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  2.2.2 它激式恒电流斩波驱动

  为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题,可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题,但仍然存在一些问题。比如:当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时,该控制信号将丢失,一般可通过加大D触发器时钟频率解决。

  2.3 细分驱动方式

  这是本文讨论的重点,也是该系统采用的驱动方法。细分驱动最主要的优点是步距角变小,分辨率提高,且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩;其次,减弱或消除了步进电机的低频振动,降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。

  细分驱动是指在每次脉冲切换时,不是将绕组的全部电流通入或切除,而是只改变相应绕组中电流的一部分,电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时,绕组电流不是一个方波而是阶梯波,额定电流是台阶式的投入或切除。比如:电流分成n个台阶,转子则需要n次才转过一个步距角,即n细分,如图5所示。

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  一般的细分方法只改变某一相的电流,另一相电流保持不变。如图5所示,在O°~45°,Ia保持不变,Ib由O逐级变大;在45°~90°,Ib保持不变,Ia由额定值逐级变为0。该方法的优点是控制较为简单,在硬件上容易实现;但由图6所示的电流矢量合成图可知,所合成的矢量幅值是不断变化的,输出力矩也跟着不断变化,从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时,滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角,使得细分实际上失去了意义。

这就是目前常用的细分方法的缺陷,那么有没有一种方法让矢量角度变化时同时保持幅值不变呢?由上面分析可知,只改变单一相电流是不可能的,那么同时改变两相电流呢?即Ia、Ib以某一数学关系同时变化,保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。基于此,本文建立一种“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法,以消除力距不断变化引起滞后角的问题。如图7所示,随着A、B两相相电流Ia、Ib的合成矢量角度不断变化,其幅值始终为圆的半径。

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  下面介绍合成矢量幅值保持不变的数学模型:当Ia=Im·cosx,Ib=Im·sinx时(式中Im为电流额定值,Ia、Ib为实际的相电流,x由细分数决定),其合成矢量始终为圆的半径,即恒力距。

  等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样。额定电流可调是指可满足各种系列电机的要求。例如,86系列电机的额定电流为6~8 A,而57系列电机一般不超过6 A,驱动器有各种档位电流可供选择。细分为对额定电流的细分。

  为实现“额定电流可调的等角度恒力距”,理论上只要各相相电流能够满足以上的数学模型即可。这就要求电流控制精度非常高,不然Ia、Ib所合成的矢量角将出现偏差,即各步步距角不等,细分也失去了意义。下面给出了基于该驱动方法的驱动器的设计方案。

  3 二相步进电机驱动器的总体设计方案

  3.1 系统设计框图

  如图8所示,控制板信号经过光耦隔离与单片机中断口相连。

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单片机根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配,确定各相通电顺序,并与CPLD里面的D触发器相连;同时根据用户设定的电流值和细分数通过SPI口与D/A转换器AD5623通信,得到设定的电流值(实际上是电流对应的电压值)。

  AD5623输出的值为期望的电流对应的电压值,它必须与从功率模块检测得到的电流对应的电压值进行比较,并把比较结果与CPLD里面的D触发器CLR引脚相连。

  CPLD与电流、细分设定的拨码开关相连,把得到的值通过SPI口传给单片机;以D触发器为核心的控制逻辑,根据单片机的各相通电顺序和比较器MAX907的比较结果确定各功率管的开关。

   功率驱动模块直接与电机相连,驱动电机。采用8个MOS管IRF740构成2个H桥双极型驱动电路。IRF740最高可承受400 V电压和10 A电流,开关转换时间不会超过51 ns,管子导通电压Vgs的取值范围为4~20 V。

  3.2 细分关键技术方案

  “额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法的实质是恒流控制,关键是电流的精确控制,必须同时满足以下各个条件:

  ①D/A转换器输出的电流值必须与期望值相当接近,而且转换速度要快。该系统采用ADI公司的AD5623,12位精度,分成4 096个等级,满足了200细分的高精度要求;2路D/A输出满足两相的要求;SPI口通信,频率高达50 MHz,建立时间快,同时单电压供电,连接简单。

  ②检测到的电流必须能正确地反映此时的相电流。由于电机的相电流通常很大,电压很高,检测有一定的难度。常用的检测方法有外接标准小电阻,电路简单,但干扰比较大,准确性比较差;霍尔传感器检测准确,干扰小,连接也不复杂,所以该驱动器采用霍尔传感器。

  ③比较器分辨率要高,转换速度快。MAX907的建立时间只需12 ns,比较的电压只要相差2 mV即可检测出来(最大不超过4 mV),反应非常灵敏。


  ④控制功率管开关的逻辑电路要有很高的实时性,保证相电流在设定电流上下做很小的波动,以免引起浪涌,干扰控制电路。

  本文采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572。以D触发器为核心的控制电路全部由CPLD完成,CPLD代替了各种分立元器件,结构简单,连接方便。图9是控制电路的逻辑图。

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如图9所示,当比较结果为低电平时(检测到的电流大于设定电流),D触发器输出为1,或门输出高电平,关断管子,电流变小;当检测到电流小于设定电流时,管子导通,从而保证相电流在设定电流上下做很小的波动。

  结 语

本文建立了“额定电流可调

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关键字:步进电机  驱动器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1226/article_22331.html
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