兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正弦恒流斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

鄭雪欽，高鏘源，徐廣令，巍明明

(廈門理工學(xué)院，廈門361024)

0 引 言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件［1］，在一些自動(dòng)控制儀器上的應(yīng)用十分廣泛［2］。如精密加工、航空航天自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)，由于對(duì)定位精度要求高，導(dǎo)致對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)要求也越來(lái)越高，所以研制一種高精度、低成本、高性價(jià)比的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有非常重要的意義。

隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制方式不僅可以減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，而且還能通過(guò)細(xì)分控制來(lái)減少步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低頻工作時(shí)的低頻振動(dòng)問(wèn)題，大大提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性［3］。雖然現(xiàn)有的一些步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的集成驅(qū)動(dòng)芯片可以達(dá)到一定的控制效果，而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但是靈活性不高，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和使用在一定程度上受到了限制［4］。還有些步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器利用高性能的微機(jī)、高精度的DA 芯片等來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制，雖然性能好，但成本高，性價(jià)比低。

本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為主控制器、4 個(gè)8 位數(shù)字電位器通過(guò)運(yùn)放電路構(gòu)成兩路具有16 位的DA功能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、分立功率驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成恒流斬波正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩、無(wú)振動(dòng)和無(wú)噪聲的驅(qū)動(dòng)控制。該驅(qū)動(dòng)器具有細(xì)分?jǐn)?shù)高，細(xì)分選擇范圍廣，電機(jī)輸出電流大。電機(jī)轉(zhuǎn)速可根據(jù)輸入脈沖頻率來(lái)調(diào)整，使系統(tǒng)的控制更加靈活;由于本文設(shè)計(jì)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器可以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，生產(chǎn)成本低，適用于大部分的兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制要求，所以該細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制器具有驅(qū)動(dòng)性能好、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作更加可靠靈活，所以提出系統(tǒng)采用通過(guò)微機(jī)控制兩路DA 數(shù)模變換器，輸出兩個(gè)相位相差90°的正弦波參考電壓，與通過(guò)電機(jī)的采樣相電流值進(jìn)行比較，利用斬波對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)同時(shí)改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的兩相相電流值，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的恒流斬波控制。令ia為流過(guò)A 相的相電流，ib為流過(guò)B 相的相電流，則ic為ia與ib的合成電流［5］。

式中:θ 為m 細(xì)分下的步距角，n=1，2，…，m。

以2 細(xì)分為例，畫(huà)出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)的磁場(chǎng)合成矢量圖，如圖1 所示。

圖1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在2 細(xì)分時(shí)的矢量合成圖

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制器通過(guò)按鍵選擇細(xì)分?jǐn)?shù)、電機(jī)繞組輸出電流的大小和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，可以通過(guò)不同的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。兩路16 位DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換器在微機(jī)的控制下，輸出兩個(gè)相位相差90°的正弦波參考電壓，通過(guò)兩個(gè)相電流采樣電路，將相電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。再將采樣電壓經(jīng)過(guò)低通濾波后，利用L6506D 內(nèi)部自帶比較器，與雙路DA 轉(zhuǎn)換器輸出的參考電壓進(jìn)行比較，通過(guò)比較的結(jié)果，來(lái)控制L298N橋式電路的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制，從而使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的相電流實(shí)時(shí)跟隨輸入的正弦參考信號(hào)的變化。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文采用單極性正弦波絕對(duì)值信號(hào)作為參考電壓。通過(guò)微機(jī)控制改變L298N橋式電路的橋臂導(dǎo)通方向，來(lái)改變電機(jī)繞組相電流的電流流向，從而達(dá)到相電流的雙極性控制的目的。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖電路

1.2 16 位DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

由于系統(tǒng)要求DA 輸出的參考電壓為正弦波，細(xì)分?jǐn)?shù)達(dá)到128 細(xì)分及以上，且電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求隨輸入的脈沖頻率來(lái)改變，利用單片機(jī)控制DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，來(lái)產(chǎn)生正弦波參考電壓。因此，系統(tǒng)對(duì)DA的精度要求比較高，理論上16 位的DA 可以滿足256 細(xì)分設(shè)計(jì)要求。假設(shè)參考電壓為1 V，系統(tǒng)運(yùn)行在128 細(xì)分時(shí)，部分正弦波在一定角度時(shí)對(duì)應(yīng)的理論值與16 位DA 的輸出理論值如表1 所示。由表1可知，16 位DA 輸出值與理想的正弦波十分接近，相對(duì)誤差小于0.0001%，可以滿足128 細(xì)分的設(shè)計(jì)要求。

表1 16 位DA 正弦輸出理論值與現(xiàn)對(duì)誤差

由于現(xiàn)有的16 位DA 芯片比較貴，不能滿足設(shè)計(jì)低成本的要求，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用模電中的加法器原理，將兩個(gè)低成本的具有8 位DA 轉(zhuǎn)換功能的數(shù)字電位器，通過(guò)運(yùn)放生成一個(gè)具有16 位DA功能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。將其應(yīng)用在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器上，原理圖如圖3 所示。輸出電壓:

式中:C 為常數(shù)。

圖3 16 位DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

通過(guò)測(cè)試兩路16 位在128 細(xì)分下DA 參考電壓的輸出，示波器測(cè)試圖，如圖4 所示，兩路信號(hào)的幅值相同，相位角相差90°，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 16 位DA 輸出參考電壓圖

1.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示，由一個(gè)L6506D 和一個(gè)L298N 組成。L6506D 內(nèi)部自帶兩個(gè)比較器，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)繞組的反饋相電流分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)采樣電路轉(zhuǎn)換為電壓后，與微機(jī)控制的兩路16 位DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的兩個(gè)正弦參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)負(fù)載繞組的相電流采樣值達(dá)到DA的輸出的參考電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的比較器會(huì)觸發(fā)復(fù)位，將L298N 的H 橋電路斷開(kāi)，并通過(guò)回流通道，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電流逐漸變?nèi)?，?dāng)負(fù)載繞組的相電流采樣值小于DA 的輸出的參考電壓時(shí)，比較器會(huì)觸發(fā)開(kāi)通信號(hào)，將L298N 的H 橋電路打開(kāi)，使負(fù)載電流增加，如此反復(fù)循環(huán)。從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相相電流實(shí)時(shí)跟隨輸入?yún)⒖颊倚盘?hào)的變化，達(dá)到正弦恒流斬波的驅(qū)動(dòng)控制目的。其中芯片L6506D 的振蕩器工作頻率外接R9，C13 電路控制如圖5 所示，其工作頻率:

圖5 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路原圖

1.4 濾波器

由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)處于實(shí)時(shí)開(kāi)通與關(guān)斷，造成采樣電壓有電壓毛刺和高頻分量，如果直接將采樣電壓送到比較器，會(huì)使電機(jī)的輸出電流與實(shí)際的設(shè)置電流有誤差，而且該誤差會(huì)隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加而增加。為此，系統(tǒng)采用了一階有源濾波器，如圖6 所示，對(duì)采樣的電機(jī)相電流進(jìn)行濾波。

圖6 RC 低通濾波器

由式(7)可知，該濾波器的輸出不受負(fù)載影響，符合設(shè)計(jì)的要求。如圖7 所示。

圖7 濾波前后的采樣相電流波形

濾波前的采樣波形與濾波后的采樣波形進(jìn)行對(duì)比，濾波后的采樣波形只剩下直流成分，符合理論設(shè)計(jì)要求，證明了濾波器設(shè)計(jì)的有效性。

將采樣電壓進(jìn)行濾波后再送到比較器端，測(cè)試波形如圖8 所示，電機(jī)的實(shí)際輸出電流與設(shè)置的電流十分接近，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效。

圖8 采樣電壓與DA 輸出參考電壓

2 軟件設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)控制靈活的設(shè)計(jì)要求，DA 的參考電壓的變化頻率要隨著輸入微機(jī)的脈沖頻率的變化而變化，這樣才能使得驅(qū)動(dòng)器具有更高的使用靈活。而且兩路DA 的輸出參考電壓要同時(shí)變化時(shí)才能滿足恒流斬波驅(qū)動(dòng)的要求。為此系統(tǒng)通過(guò)軟件上的設(shè)計(jì)，使得四個(gè)數(shù)字電位MCP41010 能夠同時(shí)改變，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體性能測(cè)試

兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在開(kāi)機(jī)前設(shè)置好后，開(kāi)機(jī)測(cè)試。兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在128 細(xì)分時(shí)，兩相繞組電流采樣電流示波器所示界面如圖9 所示，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相繞組AB 的幅值相同，相位角相差90°。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，驅(qū)動(dòng)器在不同細(xì)分?jǐn)?shù)和不同參考電壓下能平穩(wěn)的運(yùn)行，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)最初所設(shè)的目標(biāo)，系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)可以達(dá)到128 細(xì)分，由于所用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)較小，所以電流一般設(shè)置在1 A 左右，如果做好散熱處理,電機(jī)輸出電流可以達(dá)到1.75 A 左右。

圖9 兩相繞組電流采樣示波器界面

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果證明設(shè)計(jì)方案可靠可行,如果使用處理速度更高的微機(jī)或者使用轉(zhuǎn)換速度更快的DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,則可以提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。 由于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理有效,生產(chǎn)成本低,細(xì)分?jǐn)?shù)高,系統(tǒng)工作可靠靈活,有較高的驅(qū)動(dòng)能力,所以該系統(tǒng)其具有較強(qiáng)的實(shí)用性。 同時(shí)也說(shuō)明了采用分立器件的細(xì)分驅(qū)動(dòng)具有較高的實(shí)用性,而且系統(tǒng)自帶電路保護(hù),可以使整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的工作安全性提高,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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