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二相混合式步進電機的高性能驅(qū)動器研究

作者: 時間:2013-11-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
引言
是一種數(shù)字電機,具有無累積誤差、性價比高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)領(lǐng)域中。異于其他電機,必須使用驅(qū)動器才能工作。運行時存在低頻振蕩和矩頻特性,是設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)時必須考慮的兩大難題。另外,步進動電機需要有升降速過程才能運行平穩(wěn)。起動時,如果加在電機上的脈沖信號頻率過高,則會出現(xiàn)失步或振蕩,電機會抖動并有呼嘯聲。驅(qū)動器的性能影響著步進電機的發(fā)展前景,因此研究一種高性能步進電機驅(qū)動方法具有重要的實際意義。

1 驅(qū)動系統(tǒng)的原理與設(shè)計
本系統(tǒng)的設(shè)計方案采用調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式,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)動電路、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電源和電機電流檢測模塊?;究驁D如圖1所示。

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驅(qū)動系統(tǒng)的核心是微處理器控制模塊。由STM32F103單片機及其外設(shè)電路組成,用于實現(xiàn)電機PWM時序信號的輸出、轉(zhuǎn)速和方向的控制、軟件控制算法的實現(xiàn)、與計算機通信等功能。增強型STM32單片機有80個GPIO口,高達72 MHz的內(nèi)部時鐘頻率的定時器,通過改變PWM的頻率實現(xiàn)電機速度的變化,完全滿足驅(qū)動的設(shè)計要求。
二相混合式步進電機需要雙極性驅(qū)動方式才能工作,即繞組在一個周期內(nèi)需要有正反兩個方向的電流流過。采用H橋電路可以很容易解決電機雙向通電的問題,二相步進電機需要8個開關(guān)管構(gòu)成兩個H橋,其中一相的H橋驅(qū)動電路如圖2所示。MOS管驅(qū)動采用驅(qū)動芯片L6384,2片L6384和4個功率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。

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可調(diào)電源電路采用專用集成PWM控制芯片SG3525實現(xiàn)。調(diào)頻調(diào)壓電路如圖3所示,控制信號PWM由J1輸入,實現(xiàn)光耦調(diào)節(jié),與輸出信號共同反饋到SG3525的反相輸入端和補償端,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控制后級功率管的“開”和“關(guān)”,實現(xiàn)繞組充放電,設(shè)計中采用220 V的市電輸入,輸出 0~60 V/4 A。

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2 方式
若m相步進電機驅(qū)動脈沖的頻率為f,轉(zhuǎn)子有Zr個齒,則電機的轉(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,但是高速加速時仍會出現(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,彌補指數(shù)曲線的缺陷,提出指數(shù)形式結(jié)合臺階模擬加減速方式和快速臺階模式減速方式。整個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,當達到一定速度時,再利用臺階模式加速,此處B點取目標頻率的80%,加速過程中的臺階比較密,易于電機加速;減速過程中只采用臺階形式減速,因為電機具有定位力轉(zhuǎn)矩特性,取fm的20%作為一個臺階,電機不會發(fā)生過沖,復(fù)雜的減速控制曲線反而會影響減速時間。


臺階法在軟件編程中易于實現(xiàn),加減速時間得到了有效控制。減速和加速采用同一個曲線會影響減速時間,合理利用步進電機的定位轉(zhuǎn)矩特性,可使電機快速地停止,提高電機的效率。

3 控制
常用的斬波恒流驅(qū)動方式的原理是采用電流波形補償控制技術(shù),只不過參考電流是固定值,參考文獻和提出了改變電流參考波形的補償控制技術(shù),在繞組供給值較小時,通過自動切換參考電流波形的方式實現(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)壓方式的實時控制方法。不僅提高高頻性能,在電機低速時也能迅速降低注入繞組的電流,保證低頻平穩(wěn)運行。
二相混合式步進電機給定的半步工作方式的理想?yún)⒖茧娏鞑ㄐ稳鐖D5所示,電流能達到設(shè)定值ia。但是由于繞組是感性元件,實際電流的波形如圖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)象隨著電機運行頻率的增大變得更加明顯。當電機的頻率達到電機臨界值時,電機進入電流不可控頻段,陰影部分的面積急速劇增,電機轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)明顯下降。

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