應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的二相混合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究

引言

步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)字電機(jī)，具有無累積誤差、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)領(lǐng)域中。異于其他電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)必須使用驅(qū)動(dòng)器才能工作。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在低頻振蕩和矩頻特性，是設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)必須考慮的兩大難題。另外，步進(jìn)動(dòng)電機(jī)需要有升降速過程才能運(yùn)行平穩(wěn)。起動(dòng)時(shí)，如果加在電機(jī)上的脈沖信號(hào)頻率過高，則會(huì)出現(xiàn)失步或振蕩，電機(jī)會(huì)抖動(dòng)并有呼嘯聲。驅(qū)動(dòng)器的性能影響著步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展前景，因此研究一種高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法具有重要的實(shí)際意義。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案采用調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式，系統(tǒng)的硬件電路按功能來劃分，主要包含以STM32F103為核心的主控模塊、功率驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電源和電機(jī)電流檢測模塊?；究驁D如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是微處理器控制模塊。由STM32F103單片機(jī)及其外設(shè)電路組成，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)PWM時(shí)序信號(hào)的輸出、轉(zhuǎn)速和方向的控制、軟件控制算法的實(shí)現(xiàn)、與計(jì)算機(jī)通信等功能。增強(qiáng)型STM32單片機(jī)有80個(gè)GPIO口，高達(dá)72 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率的定時(shí)器，通過改變PWM的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的變化，完全滿足驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。

二相混合式步進(jìn)電機(jī)需要雙極性驅(qū)動(dòng)方式才能工作，即繞組在一個(gè)周期內(nèi)需要有正反兩個(gè)方向的電流流過。采用H橋電路可以很容易解決電機(jī)雙向通電的問題，二相步進(jìn)電機(jī)需要8個(gè)開關(guān)管構(gòu)成兩個(gè)H橋，其中一相的H橋驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。MOS管驅(qū)動(dòng)采用驅(qū)動(dòng)芯片L6384，2片L6384和4個(gè)功率MOSFET管IFR640構(gòu)成H橋。Q1、Q4和Q2、Q3輪流導(dǎo)通，繞組中的電流方向在周期內(nèi)不斷地改變。

可調(diào)電源電路采用專用集成PWM控制芯片SG3525實(shí)現(xiàn)。調(diào)頻調(diào)壓電路如圖3所示，控制信號(hào)PWM由J1輸入，實(shí)現(xiàn)光耦調(diào)節(jié)，與輸出信號(hào)共同反饋到SG3525的反相輸入端和補(bǔ)償端，用以改變11腳和14腳輸出的PWM的占空比，使得輸出穩(wěn)定。C1和R1為片內(nèi)振蕩器外接電容、電阻，可設(shè)定輸出PWM波的斬波頻率，本系統(tǒng)斬波頻率為60 kHz。11和14腳輸出PWM控制后級(jí)功率管的“開”和“關(guān)”，實(shí)現(xiàn)繞組充放電，設(shè)計(jì)中采用220 V的市電輸入，輸出 0～60 V/4 A。

2 升降速控制方式

若m相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率為f，轉(zhuǎn)子有Zr個(gè)齒，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速可 其中c=f1-f0，f1=a/b，常數(shù)b決定f-t曲線的變化規(guī)律，同樣也影響加減速的快慢。式(6)通常作為理論推導(dǎo)的最合適的升降速控制曲線，即指數(shù)加減速曲線。指數(shù)曲線是矩頻特性的一種近似，能很好地利用低頻轉(zhuǎn)矩恒定的優(yōu)勢，但是高速加速時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩大幅度下降，導(dǎo)致加速至高速困難。為更好地利用指數(shù)曲線的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)指數(shù)曲線的缺陷，提出指數(shù)形式結(jié)合臺(tái)階模擬加減速方式和快速臺(tái)階模式減速方式。整個(gè)加速和減速過程如圖4所示。加速和減速采用不同的曲線控制。加速分為兩段，首先利用指數(shù)形式加速快的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到一定速度時(shí)，再利用臺(tái)階模式加速，此處B點(diǎn)取目標(biāo)頻率的80%，加速過程中的臺(tái)階比較密，易于電機(jī)加速；減速過程中只采用臺(tái)階形式減速，因?yàn)殡姍C(jī)具有定位力轉(zhuǎn)矩特性，取fm的20%作為一個(gè)臺(tái)階，電機(jī)不會(huì)發(fā)生過沖，復(fù)雜的減速控制曲線反而會(huì)影響減速時(shí)間。

臺(tái)階法在軟件編程中易于實(shí)現(xiàn)，加減速時(shí)間得到了有效控制。減速和加速采用同一個(gè)曲線會(huì)影響減速時(shí)間，合理利用步進(jìn)電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩特性，可使電機(jī)快速地停止，提高電機(jī)的效率。

3 電流補(bǔ)償控制

常用的斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式的原理是采用電流波形補(bǔ)償控制技術(shù)，只不過參考電流是固定值，參考文獻(xiàn)和提出了改變電流參考波形的補(bǔ)償控制技術(shù)，在繞組供給值較小時(shí)，通過自動(dòng)切換參考電流波形的方式實(shí)現(xiàn)增大高頻牽出轉(zhuǎn)矩。本文在研究該技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于調(diào)頻調(diào)壓方式的實(shí)時(shí)電流補(bǔ)償控制方法。不僅提高高頻性能，在電機(jī)低速時(shí)也能迅速降低注入繞組的電流，保證低頻平穩(wěn)運(yùn)行。

二相混合式步進(jìn)電機(jī)給定的半步工作方式的理想?yún)⒖茧娏鞑ㄐ稳鐖D5所示，電流能達(dá)到設(shè)定值ia。但是由于繞組是感性元件，實(shí)際電流的波形如圖6所示，不是完全的方波形式，圖中的陰影部分是電流減少的部分。這種現(xiàn)象隨著電機(jī)運(yùn)行頻率的增大變得更加明顯。當(dāng)電機(jī)的頻率達(dá)到電機(jī)臨界值時(shí)，電機(jī)進(jìn)入電流不可控頻段，陰影部分的面積急速劇增，電機(jī)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)明顯下降。