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技術(shù)分享:二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究

發(fā)布時間:2014-09-12 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】解析二相混合式步進(jìn)電機(jī)高性能驅(qū)動控制方法,從而實(shí)現(xiàn)減小低頻振蕩和改善矩頻特性的目的。在常用升降速控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,把指數(shù)形式結(jié)合臺階模式的加減速控制方法加以改進(jìn)。以Logistic增長方程為模型,提出一種基于調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動模式的電流補(bǔ)償控制算法,即電機(jī)的供電電壓實(shí)時跟蹤運(yùn)行頻率的驅(qū)動方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯著改善低頻穩(wěn)定性和矩頻特性,具有一定的研究和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
 
 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)動器才能工作。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時存在低頻振蕩和矩頻特性,是設(shè)計(jì)驅(qū)動系統(tǒng)時必須考慮的兩大難題。另外,步進(jìn)動電機(jī)需要有升降速過程才能運(yùn)行平穩(wěn)。起動時,如果加在電機(jī)上的脈沖信號頻率過高,則會出現(xiàn)失步或振蕩,電機(jī)會抖動并有呼嘯聲。驅(qū)動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)動方法具有重要的實(shí)際意義。
 
1 驅(qū)動系統(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(jī)電流檢測模塊?;究驁D如圖1所示。
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究
圖1:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)原理框圖

 
 驅(qū)動系統(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時序信號的輸出、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GPIO口,高達(dá)72 MHz的內(nèi)部時鐘頻率的定時器,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(jī)雙向通電的問題,二相步進(jìn)電機(jī)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。
 
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究

 
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PWM由J1輸入,實(shí)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(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。
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究

 


 
2 升降速控制方式

若m相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖的頻率為f,轉(zhuǎn)子有Zr個齒,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(diǎn),彌補(bǔ)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(diǎn),當(dāng)達(dá)到一定速度時,再利用臺階模式加速,此處B點(diǎn)取目標(biāo)頻率的80%,加速過程中的臺階比較密,易于電機(jī)加速;減速過程中只采用臺階形式減速,因?yàn)殡姍C(jī)具有定位力轉(zhuǎn)矩特性,取fm的20%作為一個臺階,電機(jī)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。
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究
 
臺階法在軟件編程中易于實(shí)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(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,通過自動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)時電流補(bǔ)償控制方法。不僅提高高頻性能,在電機(jī)低速時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,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。
 
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究
 
 如圖7陰影部分所示,電機(jī)高頻運(yùn)行時,為使電機(jī)繞組在短時間內(nèi)仍能獲得足夠驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的能量,在原先設(shè)定的電流波形的基礎(chǔ)上額外增加供給電流,補(bǔ)償減少的部分,提高相應(yīng)的牽出轉(zhuǎn)矩。低頻時,為防止電流過剩,導(dǎo)致低頻振蕩,實(shí)時減少電流供給,如圖8陰影部分所示。
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究
 
保證電流的有效補(bǔ)給,f與u的變化呈現(xiàn)一個非線性關(guān)系模型,并與Logistic生物增長模型近似逼近。邏輯斯諦是一類非線性回歸模型,提出這個模型的初衷是為了解釋新物種在生態(tài)系統(tǒng)的增長變化趨勢。當(dāng)一個物種遷徙到一個陌生的生態(tài)系統(tǒng),而且該物種的起始總數(shù)量小于新的生態(tài)系統(tǒng)的最大容納量,則數(shù)量會增長,增長趨勢滿足邏輯斯諦方程。Logistic模型表達(dá)式為
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究
 
式中x是自變量,y是x的函數(shù),a、β、k是待定的常數(shù)。
 
物種到達(dá)一個新環(huán)境后的增長趨勢如圖9所示。從最初的起始值增長至平衡值,即式(7)中的常數(shù)a;β決定初始值的大小,β大于0時起始值落于最大值的下方,等于0時y為一條直線,小于0時起始值大于最大值a;而k是增長快慢的常數(shù),k越大增長速度越快,且k只能為正數(shù)。
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究
圖9:增長趨勢模型圖
 
 
電機(jī)的繞組電壓與頻率的最佳曲線關(guān)系如圖10所示。
由此得出電壓和頻率的驅(qū)動方程。
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究

式中f為頻率,u為電壓,a、b和c為驅(qū)動系數(shù),e為自然對數(shù)的底數(shù)。在f的增大過程中,u的變化趨勢是先緩慢,再急劇,最后慢慢趨近于a,即設(shè)定的最大驅(qū)動電壓值。
 
4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

電機(jī)選用無錫三拓二相混合式步進(jìn)電機(jī)57HS5125A4,額定電流2.5 A,最高起動頻率約為200 Hz,步距角1.8°。若PWM最終信號頻率設(shè)置為500 Hz,則f=0.8×500 Hz=400 Hz。在加速至400 Hz時采用臺階緩慢升速;減速過程由20%余量的臺階實(shí)現(xiàn)。選取合適的b值可以確定加速時間,b取0.05,加速時間約為0.3 s,減速時間為0.05 s,加速不失步,上升快而穩(wěn),是一種比較合適的升速曲線;減速沒有過沖現(xiàn)象。二者形成最佳升降速控制曲線。
   
該設(shè)計(jì)方案已做成實(shí)物并在使用之中,測得某一相繞組電壓和頻率之間的波形變化關(guān)系,如圖11所示。頻率和電壓采用邏輯斯諦模型電壓控制方式,繞組脈沖信號的頻率越高,供電電壓也越來越高,電流實(shí)時補(bǔ)償,波形毛刺較小,驗(yàn)證了本方案的正確性。
 
二相混合式步進(jìn)電機(jī)的高性能驅(qū)動器相關(guān)研究
圖11:實(shí)測繞組變化圖
 
 經(jīng)過測試及長時間使用證明,該驅(qū)動器具有低頻穩(wěn)定、高速有轉(zhuǎn)矩、適用范圍廣、工作可靠和矩頻特性較好等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已投入實(shí)際使用。 

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