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林 波，李興根
(浙江大學(xué)，浙江杭州 310027)
摘要：提出軟硬件結(jié)合的數(shù)字模擬控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流追蹤型混合式步進(jìn)電機(jī)SPWM微步驅(qū)動，使混合式步進(jìn)電機(jī)各相電流接近正弦波，以得到準(zhǔn)同步交流電動機(jī)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，大大削除了步進(jìn)工況，同時(shí)使該驅(qū)動電源能運(yùn)
用于數(shù)字伺服調(diào)速系統(tǒng)，
關(guān)鍵詞：SPWM步進(jìn)電機(jī)、微步驅(qū)動
中圖分類號；TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-6848(2000)03-0016-03
1引 言
步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)控制的各方面應(yīng)用十分廣泛，其主要優(yōu)點(diǎn)是開環(huán)運(yùn)行的機(jī)制獲得了接近閉環(huán)的良好性能。但在控制要求高的場合卻只能用帶位置閉環(huán)的直流電機(jī)，系統(tǒng)成本大大增加。
理論上，只要將一個(gè)整步無限細(xì)分便可看作是連續(xù)運(yùn)行。實(shí)際上受元器件的限制，雖不能完全連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)微步數(shù)足夠大時(shí)，便能滿足精度要求。本文實(shí)現(xiàn)的微步驅(qū)動方法具育簡潔、可變、普適性及推廣的價(jià)值。
2原理
以二相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，先介紹轉(zhuǎn)矩表達(dá)式和圓形旋轉(zhuǎn)磁場的形式。
如果忽略渦流和飽和效應(yīng)等其他非線性因素，其力矩方程為。
為進(jìn)行細(xì)分，可令相電流為。
J為額定電流，口為時(shí)間函數(shù)，其值為所要求的步進(jìn)位置�？蛰d時(shí)，轉(zhuǎn)子的平衡位置決定，可見平衡位置移動了a角，也就是需要的角位移。
兩相對稱繞組通入兩相對稱電流就能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，這是因?yàn)橛呻娏鳟a(chǎn)生的磁密相量為：
A相和B相的磁密矢量和長度在整個(gè)時(shí)域內(nèi)，且其方向是隨時(shí)間的變化在空間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
3系 統(tǒng)
整個(gè)系統(tǒng)主要由微步信號發(fā)生環(huán)節(jié)，線性PWM斬波環(huán)節(jié)，自舉驅(qū)動環(huán)節(jié)，全H橋主回路4部分構(gòu)成。
3.1參考波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生
先用C或MATLAB等語言對正弦波進(jìn)行3600N微步角庋均分，即需要多少微步就把3600均分成多少個(gè)采樣點(diǎn)，算出各采樣點(diǎn)的正弦值，然后對
得到的浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行2進(jìn)制量化處理，針對8位DlA轉(zhuǎn)換得到2進(jìn)制偏移量，將此數(shù)據(jù)輸入EPROM，這樣數(shù)據(jù)處理工作即完成。
以8微步為例，圖1中參考波形之間有900的相位差，由于全H橋?qū)驅(qū)ǖ囊螅鞠到y(tǒng)巧妙地對每相參考波形值分三類作了兩種控制狀態(tài)的同步控制標(biāo)記位，即大于零的點(diǎn)標(biāo)為0，等于零的點(diǎn)標(biāo)為1，小于零的點(diǎn)標(biāo)為1，控制標(biāo)記O表示該相導(dǎo)通，1表示該相截止，這些標(biāo)記和參考波形值分放在不同的EPROM中，但它們一一對應(yīng)地存放在相同的地址下，以便同步可逆計(jì)數(shù)器按地址同步選出。該控制標(biāo)記用來控制TL494的死區(qū)端，從而控制PWM信號的輸出。這樣處理的好處有兩點(diǎn)，一是控制標(biāo)記和參考波形的輸出是同步的，二是每相信號都有天然的橋臂互鎖時(shí)間，即參考波形的零值所對應(yīng)的標(biāo)記1，為1時(shí)關(guān)斷橋臂，避免了直通現(xiàn)象。參考波形相位見圖1。
3.2微步信號發(fā)生環(huán)節(jié)
同步可逆計(jì)數(shù)器由兩片CD4516級連而成，二者共受同一個(gè)清零信號控制，以便周期循環(huán)可變進(jìn)制計(jì)數(shù)，高位計(jì)數(shù)器的CP脈沖由低位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出送入。8位數(shù)據(jù)輸出線可尋址256個(gè)單元，27C64有很多頁，這里用了4頁，存放4檔微步參考波形值，即8、32、64、128微步4種，頁的尋址由高位地址線來完成。
3片EPROM分別存放A相，B相，控制標(biāo)記。其中控制標(biāo)記EPROM的DO，Dl輸出A和-A相通斷信號，D4，D5輸出B和-B相通斷信號，D7送出清零信號�？刂茦�(biāo)記EPROM見圖2。
A相和B相EPROM的8位輸出送入DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，DAC0832的參考電平由精密基準(zhǔn)電壓源送入。由于DAC0832是電流型輸
出，所以要用運(yùn)放轉(zhuǎn)化為電壓型輸出，此處用高精度，低飄移的OP07。綜合后面電流反饋信號是正電平，而DAC0832是反極性輸出，故參考電平應(yīng)為負(fù)電平輸入才能得到正確的參考波形，參考電平不能太低，否則會影響輸出波形質(zhì)量。DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器見圖3。
從DAC0832出來的階梯正弦波為單一的正半波，這不會影響后級驅(qū)動，因?yàn)闃O性控制是由控制標(biāo)記EPROM來完成�？刂茦�(biāo)記EPROM出來的信號是+5v的電平，需要轉(zhuǎn)化為+15V，這可以用普通高頻三極管來實(shí)現(xiàn)。
3.3線性SPWM斬波環(huán)節(jié)
斬波由線性PWM集成塊TL494執(zhí)衍，此處用了單端射極輸出，5腳，6腳分別接電容和電阻以產(chǎn)生鋸齒波，其中誤差放大器2閑置不用。誤差放大器1的2腳接參考波形，1腳接采樣電阻的反饋信號，2腳與3腳之間接RC網(wǎng)絡(luò)用來控制PWM的動作快慢和對電流閉環(huán)反饋系統(tǒng)零極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，其取值與電機(jī)內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而且不能太大，否則PWM動作過快會引起電流出現(xiàn)異常尖峰；也不能太小，否則PWM動作過慢會失去微步切換的跟隨程度。故此網(wǎng)絡(luò)取值很重要。4腳接各相控制標(biāo)記行信號，當(dāng)為1時(shí)關(guān)斷PWM輸出，為0時(shí)讓PWM信號通行。線性PWM集成塊TL494功能圖見圖4。
3.4 自舉驅(qū)動環(huán)節(jié)
PWM信號通過具有自舉功能的MOSFET驅(qū)動芯片IR2110的上通道送入全H橋的上橋臂，進(jìn)行下橋?qū)�、上橋斬波的工作過程。IR2110是國際
整流器公司的產(chǎn)品，有兩個(gè)完全獨(dú)立的高保真輸入輸出通道，且兩個(gè)通道有開通慢、關(guān)斷快的防橋臂直通的互鎖功能，加上原有的互鎖控制信號，使得主電路工作更為可靠。IR2110的典型接法見圖5。
IR2110的上通道輸出級的工作電源是一懸浮電源，這是通過一種自舉技術(shù)由固定的電源得來的。充電二極管的耐壓能力必須大于高壓母線的峰值電壓，推薦采用一個(gè)快恢復(fù)的二極管。自舉電容C1的值對于5kHz以上的開關(guān)頻率取0.lvF即可。應(yīng)用中應(yīng)在Vcc,和COM間，VDD和VSS間連接兩個(gè)旁路電容，這兩個(gè)電容及VB和VS間的儲能電容都要與器件就近連接。建議VCC上的旁路電容用一個(gè)0. 1pLF的陶瓷電容和一個(gè)lt.eF的鉭電容并聯(lián)，而邏輯電源VDD上有一個(gè)O.lVF的陶瓷電容已足夠了。每個(gè)MOSFET應(yīng)分別連接到IR 2110的2腳和5腳作為柵極驅(qū)動信號的反饋。串入一個(gè)柵極電阻可以消除振蕩。
3.5主電路
主電路中采樣電阻的放置很講究。由于工作過程務(wù)為導(dǎo)通、續(xù)流、抑制三個(gè)過程，若要保持良好的電流追蹤性，要求反饋信號實(shí)時(shí)地反映電流變化的狀況，將采樣電阻放入續(xù)流回路將有這方面的益處。主電路見圖6。
續(xù)流可分為有源和無源兩種。若用無源續(xù)流，則由于電機(jī)電感和電阻參數(shù)變化較大，如果續(xù)流回路的時(shí)間常數(shù)很大，電流的下降很慢，對微步運(yùn)行的電流下降期間極為不利。無源續(xù)流是由于上橋斬波，下橋?qū)ㄒ鸬�，故斬單橋臂只對低頻等要求不高的場合有應(yīng)用價(jià)值。
為了改善無源續(xù)流時(shí)電流下降過慢的情況，可以采用有源續(xù)流，即同時(shí)斬雙橋。上下橋同時(shí)截止時(shí)，將發(fā)生有源抑制，迫使繞組中的電流快速下降，從而基本跟隨設(shè)定的電流波形，使得電機(jī)在低中頻段都能進(jìn)行微步運(yùn)行。
在有源續(xù)流時(shí)，由于MOSFET中的寄生二極管的存在，使得續(xù)流電流在地點(diǎn)分為兩路，一路即所希望的通過快復(fù)二極管續(xù)流，見回路1，但另一路則反向通過采樣電阻和寄生二極管續(xù)流，見回路2，使得采樣電阻上出現(xiàn)負(fù)值電流，其幅值較大時(shí)會引起單電源工作的TL494工作不正常。相應(yīng)的措施有主動防止和被動防止兩種。主動防止可在下橋MOSFET的漏極和電感之間反向串入一個(gè)快復(fù)二極管，性能參數(shù)均與續(xù)流快復(fù)二極管一樣。這樣使礙寄生二極管無效，只留下快復(fù)二極管進(jìn)行續(xù)流。被動防止則加入精密檢波環(huán)節(jié)，削去負(fù)值波形，同時(shí)不失真地保留原有的正值波形。
在有源續(xù)流時(shí)，用采樣電阻這種方式進(jìn)行反饋有不足之處，它將連續(xù)電流波形分成了離散電流波形，而比較端的設(shè)定電流波形為連續(xù)信號。根據(jù)自動控制理論，此離散電流信號必須經(jīng)過一個(gè)采樣保持器，將它轉(zhuǎn)化為連續(xù)信號后才能被送到比較端進(jìn)行比較。具體器件可用LF398等采樣保持器。
4結(jié)論
研制的微步驅(qū)動器用于130BYG250型、8A每相、28Nm的二相混合式步進(jìn)電機(jī)具有良好的調(diào)速和驅(qū)動性能。其它混合式步進(jìn)電機(jī)的微步驅(qū)動可以運(yùn)用本文的思想加以推廣。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡介：林波（1975-），浙江桐廬人，浙江大學(xué)電機(jī)及控制專業(yè)碩士研究生，師從李興根副教授，主要研究方向?yàn)槲⑻仉姍C(jī)及控制．
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