电机技术基于电流跟踪型ＰＷＭ技术的数字式步进电机细分驱动技术武迪，赵继敏，蒋鹏（上海交通大学电气工程系，上海２０００３０）［摘要］介绍基于电流矢量恒幅均匀旋转原理的步进电机细分驱动技术。设计基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的步进电机细分驱动系统硬件电路，其利用电流跟踪型ＰＷＭ技术产生用于细分各相电流的正弦阶梯波；通过软件改变控制算法可以实现多种细分驱动控制，．简化了硬件结构，提高了控制精度，并且运行稳定。关键词ＴＭｓ３２０Ｆ２８１２电流跟踪ＰＷＭ正弦阶梯波０引言步进电机是一种将电脉冲信号转换成转子角位移的数字控制电机，每输入一个脉冲，转子转过一个步距角，其转速由脉冲频率决定，不受负载影响，无积累步距误差，在精度要求不高的环境中可开环控制，且其具有控制简单、成本低、定位方便等优点，因而广泛应用于各种自动控制系统中。但开环驱动方式存在低频振荡、噪声大、精度低等缺点，而细分驱动技术能够很好地解决上述问题，改善步进电机的运行性能。１步进电机细分驱动原理步迸电机细分驱动技术是通过控制各相绕组电流的大小和方向（由原来的矩形电流波供电变成阶梯电流波供电），使各相绕组电流按照一定阶梯规律上升和下降，从而将步进电机每一步细分，降低步距角，提高分辨率。常见的步进电机细分技术有等电流细分驱动法和电流矢量恒幅均匀旋转法。等电流细分驱动法是在一相绕组电流保持不变的情况下，另一相电流均匀地增大或减小，这种方法可以实现细分驱动，但这种方法不能保证步距角均匀细分以及电流矢量恒定，从而导致步进电机振荡、失步以及输出力矩不恒定。电流矢量恒幅均匀旋转法能够实现步距角均匀一致，且输出力矩不变，是一种比较合适的细分驱动方法。以二相混合式步进电机为例，二相绕组分别通以幅值相同、相位相差９０。的正弦阶梯波电流，合成的电流矢量在空间做旋转角度均匀的横幅旋转运动，如图ｌ所示。２细分驱动系统结构和工作原理该步进电机细分驱动电路总体结构如图２所示。主电路主要由ＤＳＰ接口电路、电源转换电路、相电流收稿日期：２００９—０４一０８万方数据检测电路、功率驱动电路、三相逆变桥组成。它采用ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭｓ３２０Ｆ２８１２作为控制核心，内部Ｆｌａｓｈ存放系统程序。田１电流矢量恒幅均匀旋转示意图及电流正弦阶梯波形圈田２系统总体结构本设计使用电流跟踪型ＰＷＭ控制实现步进电机的细分驱动，ＰｗＭ信号由ＤＳＰ事件管理器的全比较单元产生，６路ＰＷＭ中ＰＷＭｌ、ＰＷＭ３、ＰＷＭ５为上桥臂驱动信号，ＰｗＭ２，ＰｗＭ４、ＰＷＭ６为下桥臂驱动信号。为实现迅速跟踪反馈电流和期望电流，采用增量型ＰＩ控制算法，如图３所示。数字ＰＩ调节器控制规律为：＿ｕ（ＫＴ）一‰Ｉ一●，Ｌｅ（是Ｔ）＋≠∑ｅ（歹Ｔ）Ｉ‘ｒ，一Ｏ一式中，愚。为比例系数Ｉｔ为积分时间系数；Ｔ为采样周期。比例环节可迅速对误差作出反应，从而减小误差；积分环节可不断积累输出控制量以减小误差；采２．１工作原理电机技术样周期Ｔ需尽量小，以保证足够的精度。将其改进可得增量型数字ＰＩ调节器控制规律：Ｕ（ＫＴ）＝Ｕ（ＫＴ—Ｔ）＋七一（忌Ｔ）＋变器开关器件关闭，减少相电流，以实现各相电流信号跟踪给定的阶梯正弦电流波做锯齿变化，从而接近于给定值。系统在每个ＰｗＭ周期“开”期间的中部对步进电机相电流进行采样，采样值送入Ａ／Ｄ转换器ｋ［ｅ（盯）一ｅ（玎一Ｔ）］式中，岛一ｋＴ／正为积分系数。此算法不需要累积，只需保存上次计算的Ｕ（Ｋ一１）、ｅ（Ｋ—１）即可，既降低了系统运算量，又容易获得较好的控制效果，软件上也容易实现。电流ＰＩ环周期为４０弘ｓ，与ＰｗＭ同周期。后，与期望电流值相比，再将所得差值进行ＰＩ调节，形成事件管理器中ＰＷＭ占空比的控制量。由于每次采样的差值不同，所以每次ＰｗＭ周期中发生匹配的位置也不同，因而可输出周期固定而占空比不同的ＰｗＭ波。２．２系统结构期望２．２．１电源转换电路圈３电流ＰＩ控制环电源转换电路如图４所示。由于样机额定电压为３５Ｖ，因此选用３５Ｖ开关电源为系统供电。由于ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的工作电压为３．３Ｖ，所以采用ＴＩ系统通过发送固定周期的ＰＷＭ波控制开关器件的关断。当相电流测量信号小于阶梯正弦波期望电流值时，逆变器开关器件打开，增大相电流｝当相电流测量信号大于阶梯正弦波期望电流值时，逆公司的电源管理芯片ＴＰＳ７３３３，实现电压从５Ｖ到３．３Ｖ的转换。开Ｓ７３３脚埔３４１．ＳｙＩＯＵＴｌｌＯＵ’ｒ２２３ｌＧＮＤｌＥＮＹ＝Ｃ６＝１。銎Ｉｌ，．蒜ｌ毒ｇ｜Ｉ５６ｌＲＢ，照ＮＳＥｌ矾ｌｌ州２葡面；罾ｆｆ‘’ｉｆ型望Ｌ一Ｉ７ＶＯＣ翟３．ＷＩ阿１ｈ驺ＶＪＮ口肚牛位哩Ｗｌ＝＝Ｃ３Ｌ＝“辜ｃ５Ｕ２ＩＮｌ２ＩＮ２２（｝ＵＴｌ２０Ｕ１２１７ＴＩＥＧＮＤ７２１删ＳＥ２ＣＮＤ９１０型Ｒ４由』口一兹寺“一锄也ＳＥＴ圈４电源转换电路２．２．２功率驱动和过流保护电路系统采用三相混合式步进电机作为试验机。其功率驱动电路采用三相全Ｈ桥逆变电路，其中，开关器件采用绝缘栅双极性晶体管ｌＧＢＴ，驱动逆变电路的芯片选取美国ＩＲ公司的ＩＲ２１３６芯片，如图５所示。由于ＤＳＰ产生的ＰＷＭ信号电平逻辑和驱动芯片１Ｒ２１３６不匹配，因此ＤＳＰ事件管理器产生的ＰｗＭ波经光耦隔离电路（光耦隔离芯片为ＴＬＰ５５９）后再输入到ＩＲ２１３６的ＰＷＭ输入端，从而驱动ＩＧ—ＢＴ，实现模拟信号和数字信号的电气隔离。另外将ＦＡＵＬＴ与ＤＳＰ的ＰＤＰＩＮＴ相连，以便在逆变桥处于不正常状态时能够使其中断，从而对电机和系统进行保护。２．２．３电流采样放大电路过计算得到。系统采用旁路电阻来检测电机各相的绕组电流，如图６所示。由于旁路电阻检测到的相电流信号中可能包含尖峰和毛刺，从而引起ＰＷＭ比较器的误动作，进而导致电机失控，所以在电流检测环节加入二阶ＲＣ无源滤波电路，以减少电流信号中的尖峰和毛刺。ｌＮ是来自采样电阻的压降信号，采用ｏ．１Ｑ旁路电阻，电机相电流最大允许电流值为６Ａ，由于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的Ａ／Ｄ输入信号范围为Ｏ～３．３Ｖ，所以检测信号必须经过运算放大器ＬＭ３２４放大，才可输入到ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转换器。３软件结构系统主程序的主要功能是对电机绕组电流进行采样，并根据它与期望电流值的差值进行ＰＩ调节．然后系统需要对三相混合式步进电机相电流进行采样以形成闭环控制系统，相电流采样放大电路如图６所示，步进电机采用星形连接，由基尔霍夫电压定律可知，只需要对两相电流进行采样即可，第３相可以通根据ＰＩ调节结果改写事件管理器输出的ＰＷＭ占空比，使输出的ＰＷＭ波形控制开关管的导通与关断，进而驱动三相混合式步进电机，实现细分驱动。系统软件主要包括主程序和中断程序２部分，主万方数据电机技术程序包括初始化、转速设定、方向设定、读Ａ／Ｄ转换结果，在中断程序中实现查表读取正弦波细分值、电流ＰＩＤ调节。图７为主程序流程图。±孟■茎塑初始化—上～—＼—／！±二二］［二＝调定电机运行步数———１二二二１二＝查正弦电流细分表ｌ＝＝二二［二二＝＝一＝二二［＝二二二工三读＾，Ｄ转换结童Ｉ二二二］二＝二二二工型Ｐｌ调节更新比较寄存器值ＩＮ＜弯———１———Ｊ～皇竺竺？／＞—｝≤妙Ｙ图７系统主程序流程图４结束语研制的步进电机细分驱动控制系统应用于１ｌｏＢＹＧ３５０３型，相电感为３．５ｍＨ，相电流为６Ａ，电源电压为３５Ｖ的三相混合式步进电机，设定细分数为６４。经试验验证，该步进电机相电流波形接近正弦波，在工作频率范围内运行状态良好，且性能稳定。ＣＮＤＣＮＤ参考文献圈５功率驱动电路［１］王晓明，王玲．电动机的ＤｓＰ控制——ＴＩ公司ＤｓＰ应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００４［２］张强，郭庆．三相混合式步进电动机ｓＰＷＭ控甫ｌ技术［Ｊ］．微特电机，２００８（１０）：３９～４１［３］林海波．基于单片机的步进电机均匀细分驱动器的实现口］．自动化仪表，２００４，２５（９）：６０～６２ＧＮＤ图６相电流采样放大电路（编辑杨正君）（上接第６３页）（３）改变电路结构。在图１中，若在ＨＧ和ＨＧｌ的两端并ＫＭ或者和其同步动作中间继电器的常开触３解决途径点，可以把产生的感应电动势和电流在一个短路环内根据现场施工经验及对控制电路的分析，对此干转换成热能消耗掉。扰问题，有３个解决途径：参考文献（１）选用高触发电压的ＬＥＤ发光体指示灯。（２）尽量实现接触器控制电缆等大电流电缆和信号［１］秦曾煌．电工学（上册）电工技术［Ｍ］．第５版．北京：高等指示等小电流电缆分开铺设，选用相互屏蔽的控教育出版社，２０００制电缆，从而避免感应电动势和感应电流。同时尽量［２］许廖，王淑英．电气控制与ＰＬｃ应用［Ｍ］．北京：机械工让多芯控制电缆多余的电缆芯接地，以免触碰发生触业出版社。２００５。电事故。（编辑祝晓艳）万方数据６引＼＾，＼＾ｎ＾，．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔｌ电工技术
