步进电机驱动器的关键技术研究

步进电机驱动器的关键技术研究作者：时间：2008-11-14来源:单片机与嵌入式系统应用引言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。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。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。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。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。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6～8A，而57系列电机一般不超过6A，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。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400V电压和10A电流，开关转换时间不会超过51ns，管子导通电压Vgs的取值范围为4～20V。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4096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50MHz，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12ns，比较的电压只要相差2mV即可检测出来(最大不超过4mV)，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。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“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法，并基于该方法设计实现了二相混合式步进电机驱动器，最高可达200细分，驱动电流从O．5A／相到8A／相可调，可驱动24系列到86系列的步进电机。实际应用证明，该方法基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪声大的缺点，电机在较大速度范围内转矩保持恒定，提高了控制精度，减小了发生共振的几率，具有很好的稳定性、可靠性和通用性，且结构简单。