新型三相混合式步進電機驅(qū)動器

1、新型三相混合式步進電機驅(qū)動器Novel Three-phases Hybrid Stepper Motor Drivert易長松摘要:本文分析了新型三相混合式步進電動機的轉(zhuǎn)矩控制特性。介紹了采用IGB T功率器件和細分技術設計研制的驅(qū)動器。這種驅(qū)動器改善了步進電動機的運行工況,獲得了和一般伺服系統(tǒng)相當?shù)目刂菩阅?。關鍵詞:三相混合式步進電動機驅(qū)動器細分Abstract:Torque control character i stic of a novel three-phases hybrid stepper motor is analyzed.A driver is designed using

2、 power device IGBT and adop ting subdivide method.The runni ng state of stepper motor is i mproved apparently.Control performance the same as servo system can be achieved.Key words:three-phases hybrid stepper motor driver subdivision1前言步進電動機是工業(yè)控制中應用十分廣泛的一種電動機。它的主要優(yōu)點是,具有較高的定位精度,無位置積累誤差,并且特有的開環(huán)運行機制。這大

3、大減少系統(tǒng)成本,可以獲得接近閉環(huán)控制的良好性能。但是,步進電動機運行工況存在許多不足之處,如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高、驅(qū)動系統(tǒng)可靠性差等,又嚴重制約了步進電動機的應用范圍。因此,在許多要求較高的應用場合只能采用伺服電機,這又會增加系統(tǒng)的成本和結(jié)構復雜性。為此,出現(xiàn)了各種旨在提高步進電動機驅(qū)動性能的措施,如細分技術的采用拓寬了步進電動機的應用范圍。然而,一般的混合式步進電動機在結(jié)構上存在固有的問題,如空間磁場的非圓性分布,使得電機矩角特性很難滿足輸出轉(zhuǎn)矩線性化的要求。即使采用細分控制,細分步距角與步進電動機的轉(zhuǎn)子機械位置也很難保持線性,輸出的轉(zhuǎn)矩波動很大,定位精度也不容易保證。目前出現(xiàn)的新型

4、三相混合式步進電動機,結(jié)合了二相和五相混合式步進電動機的優(yōu)點,在結(jié)構上采用特殊的機械設計。其輸入為三相正弦信號,工作平穩(wěn),幾乎完全沒有振動,是一種性能非常優(yōu)越的電機。本文介紹了一種采用IGB T功率器件的新型電流閉環(huán)脈寬調(diào)制(PW M三相混合式步進電動機驅(qū)動電源,它展現(xiàn)了非常好的控制性能。2三相混合式步進電動機特性分析三相混合式步進電動機的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電動機。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)生的感應電流對轉(zhuǎn)子磁場的影響可忽略不計。在結(jié)構上,它相當于一種多極對數(shù)的交流永磁同步電機。由于輸入是三相正弦電流,因此產(chǎn)生的空間磁場呈圓形分布,而

5、且可以以永磁式同步電動機的結(jié)構模型分析三相混合式步進電動機的轉(zhuǎn)矩特性。為便于分析,可做如下假設:(1飽和效應忽略不計;(2磁滯電流及渦流損耗不計;(3激磁電流無動態(tài)響應過程。圖1示出了三相永磁同步電動機的簡單結(jié)構模型。U、V、W為定子上的3個線圈繞組,3個線圈繞組的軸線成120b。電機單相繞組通電的時候,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以表達為T=f(i,H,其中,i為繞組中通過的電流;H電機轉(zhuǎn)子偏離參考點的角度。 圖1 永磁同步電動機結(jié)構圖由于磁飽和效應可以忽略不計,并且轉(zhuǎn)子結(jié)構是圓筒形,其功角特性為嚴格的正弦,即T =k #i #sin H若理想的電流源以恒幅值為I 的三相平衡電流i u 、i v 、i w 供

6、給電樞繞組,即i u =I #sin X ti u =I #sin (X t +2P /3i u =I #sin (X t +4P /3則電機各相電流產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為:T u =kI #sin X t #sin H AT u =kI #sin (X t +2P /3#sin (H A +2P /3T u =kI #sin (X t +4P /3#sin (H A +4P /3穩(wěn)態(tài)運行時,H =X t,則三相繞組產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩為:T =T u +T v +T w =K c #I以上分析表明,對于三相永磁同步電動機,當三相繞組通入相差120b 的正弦電流時,由于在內(nèi)部產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場,電機的輸出轉(zhuǎn)

7、矩為恒值。同時可以看出,因為采用了類似三相永磁式同步電動機的結(jié)構和控制方式,三相混合式步進電動機產(chǎn)生的空間磁勢不再是二相或五相混合式步進電動機的脈動磁場,從而具有了類似于交流伺服電機的運行特性,這為改善步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的控制性能提供了保證。3 三相混合式步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)結(jié)構三相混合式步進電動機驅(qū)動器系統(tǒng)框圖如圖2所示,驅(qū)動系統(tǒng)由以功率半導體器件組成的主 回路和邏輯器件組成的控制電路構成。圖2 驅(qū)動器結(jié)構框圖(1主回路部分驅(qū)動器的主回路采用交直交電壓型逆變器形式,由不控整流橋、濾波器、逆變器以及步進電動機等組成。不控整流橋和濾波電容器一起構成直流電壓源,完成恒頻恒壓(C FC V交流電源到直流

8、電源的變換。不控整流由功率二極管完成,其中輸入為220V 、50Hz 交流電,輸出直流電壓為300V 。逆變器實現(xiàn)從直流電到變頻變壓(VFVV交流電的轉(zhuǎn)換,為三相混合式步進電動機的定子繞組提供要求的交流電流。逆變器由三菱公司生產(chǎn)的20A 、1200V 功率模塊組成。該模塊內(nèi)部集成了6只IGB T,構成三相全控逆變橋。驅(qū)動器采用兩只霍爾電流傳感器檢測步進電動機相電流的瞬時值。(2控制電路部分驅(qū)動器的控制部分由3部分組成:電流指令發(fā)生器、電流閉環(huán)控制器以及故障保護電路。電流指令發(fā)生器的結(jié)構如圖3所示,其輸入信號包括輸入的步進脈沖信號SP 、正反轉(zhuǎn)控制信號U/D 、使能控制信號E N 和細分控制信號

9、MIC,另外還有步數(shù)選擇開關和相電流幅值選擇開關。其中,輸入信號可以由CNC 系統(tǒng)或其他控制系統(tǒng)給出,接口采用RS422差動輸入方式,這具有傳輸距離遠、抗干擾能力強的優(yōu)點。 圖3 電流指令發(fā)生器結(jié)構圖在實際運行中,當三相正弦電流雙向流過步 圖4 流入電機繞組的三相階梯狀電流進電動機繞組時,若對正弦電流進行階梯函數(shù)控制(如圖4所示,則階梯函數(shù)的每一階與電動機的每一步相對應,電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)就由每一個周期正弦電流的階梯數(shù)和電機的磁極對數(shù)決定。雖然從理論上電機每一轉(zhuǎn)的步數(shù)可以做到很高,但考慮到實際應用的情況,系統(tǒng)選擇了10倍細分功能。步數(shù)選擇用波段開關設置,通過和細分控制信號的配合,可設置步進電動機的

10、每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、300、600(無細分、2000、3000、6000(細分。相電流選擇控制也由波段開關設置,它可以調(diào)整步進電動機相電流設置值在1/41倍額定電流之間變化。循環(huán)計數(shù)器采用可編程邏輯器件GAL,兩片E PROM 中存放了產(chǎn)生各相電流的正弦量化數(shù)據(jù)。D/A 轉(zhuǎn)換采用并行輸入8位精度的AD7524。電流閉環(huán)控制部分采用模擬運算放大器構成比例調(diào)節(jié)器(P 方式。調(diào)節(jié)器輸出信號和三角載波信號比較,生成驅(qū)動功率器件開通關斷的SP -W M 信號,功率器件的開關頻率為15kHz 。為了保證系統(tǒng)安全運行,設計了如圖5所示的系統(tǒng)故障檢測及保護電路,其保護功能如下:圖5 故障檢測及保護邏輯1直流過電

11、壓。當主電路的母線直流電壓高于某特定值時,會危及功率器件、電機以及濾波電容器的安全。因此直流電壓過高時,設計了直流過電壓保護電路。2熔斷器熔斷保護當熔斷器因故熔斷時,驅(qū)動器顯示故障報警。3控制電源欠壓?？刂齐娫措妷哼^低,會引起控制信號紊亂,驅(qū)動器有可能發(fā)生誤動作。為此設計了欠壓保護,在欠壓故障發(fā)生時,停止步進電動機驅(qū)動器工作,以保護逆變器功率器件。4短路過電流當逆變器的橋路中通過了較大的電流或者驅(qū)動器的輸出引線發(fā)生短路時,應采取適當?shù)姆绞疥P斷IGB T 工作,這種保護由驅(qū)動模塊EXB840實現(xiàn)。 另外,在系統(tǒng)進入真正運行前,為確保逆變器功率器件的安全,驅(qū)動器的上電初始狀態(tài)將封鎖所有逆變器開關信

12、號。一旦接收到使能控制信號,封鎖信號即被解除,控制系統(tǒng)才可以進入工作狀態(tài)。當有故障發(fā)生時,故障繼電器斷開,可以保護主電路的安全。4 系統(tǒng)測試結(jié)果和結(jié)論為了檢驗所研制生產(chǎn)的三相混合式步進電動機驅(qū)動器的控制性能,這里將驅(qū)動器和華中科技大學電機廠研制的110B TG350A 型三相混合式步進電動機(額定電壓300V 、額定電流411A 、最大力矩8N #m進行了配接測試,測量的矩頻特性如圖6所示。系統(tǒng)的測試結(jié)果表明,和以往的步進電動機驅(qū)動器相比,三相混合式步進電動機驅(qū)動器性能有了明顯的提高,低頻運行非常平穩(wěn),系統(tǒng)最低轉(zhuǎn)速可達到011r/min,最高轉(zhuǎn)速1500r/min,指令輸入頻率最高為150kH

13、z,正反轉(zhuǎn)均能穩(wěn)定運行。由于采用高開關功率器件和細分技術,系統(tǒng)噪聲和振動大大降低,達到了一般伺服系統(tǒng)的運行性能。圖6 8N #m 步時電動機的矩頻特性曲線參考文獻1 錢昱明,侯惠芳.步進電機可變細分SP WM 運行方法.微特電機,1995(5:27292 毛希祥,金念祖.數(shù)字式脈寬調(diào)制在步進電機驅(qū)動中的應用.微特電機,1988(2:2427特電機,1993(1:3033.t 易長松 工程師,1986年畢業(yè)于原華中理工大學自動控制系,現(xiàn)工作于華中科技大學電力工程系。未來十年是我國微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵時期信息產(chǎn)業(yè)部部長吳基傳在近日舉行的海峽兩岸信息技術與微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會上強調(diào),未來10年是我國

14、發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)的關鍵時期,我國將把微電子產(chǎn)業(yè)作為重中之重,優(yōu)先扶植發(fā)展。吳基傳說,在新的世紀里,經(jīng)濟全球化和信息網(wǎng)絡化的步伐進一步加快,以微電子、計算機、通信和網(wǎng)絡技術為代表的信息技術,是現(xiàn)代科技進步中發(fā)展最快、滲透性最強、應用性最廣的關鍵技術。它的廣泛應用,使信息成為重要的生產(chǎn)要素和戰(zhàn)略資源,成為推動世界經(jīng)濟發(fā)展的動力。大力發(fā)展信息技術和信息產(chǎn)業(yè),加快推進國民經(jīng)濟和社會信息化,已成為世界各國科技、經(jīng)濟、軍事和政治競爭的焦點,成為各國綜合國力較量的一個重要方面。吳基傳指出,微電子是信息技術的核心和基礎,是世界高科技競爭的熱點之一。隨著信息化的不斷推進,微電子技術在社會、經(jīng)濟、乃至人民生活各個領域中的應用越來越廣泛,對改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、帶動工業(yè)化發(fā)展起著至關重要的作用。目前,我國微電子產(chǎn)業(yè)已具備一定的發(fā)展基礎,芯片生成技術達到8英寸0135微米水平,形成了由7個芯片生產(chǎn)骨干企業(yè)、十幾個封裝廠、幾十家設計公司、若干個關鍵材料及專用設備儀器制造廠組成的產(chǎn)業(yè)群體,在地域上呈現(xiàn)相對集中的趨勢,即主要分布在蘇浙滬、京津和粵閩地區(qū)。吳基傳強調(diào),要清醒地看到,目前我國微電子產(chǎn)業(yè)無論是技術水平還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模,都相對滯后。加快微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展,已經(jīng)成為整個信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當務之