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1、【Word版本下载可任意编辑】 DSP的三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统 引言 步进电机作为一种电脉冲角位移的转换元件，由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。由于受制造工艺的影响，步进电机的步距角一般较大，还存在低频振动，在低频时有明显的“步进”感。这使得步进电机一般只能应用在一些要求较低的场合。步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。实践证明，步进电机脉冲细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。 脉冲细分驱动的原理 步进电机
2、的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。由于通过各相绕组的电流是个开关量，即绕组中的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各相绕组产生的磁场也是一个开关量，只能通过各相的通电组合来减小步距角，这样可到达的细分数很有限。因此要使可到达的细分数较大，就必须能控制步进电机各相励磁绕组中的电流，使其按阶梯上升或下降，即在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间电流状态，相应的磁场矢量幅值边就存在多个中间状态，这样相邻两相或多相的合成磁场的方向也将有多个稳定的中间状态，转子就沿着这些中间状态以微步距转动。图给出了三相步进电机八细 步进电机脉冲细分
3、有多种形式，但最正确的控制方式是均匀细分运行方式，即等步距角、等转距的运行方式。步进电机均匀细分控制时相电流的通用计算公式为： 系统总体架构 三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统原理框图如图所示。此系统采用的控制策略 是矢量控制。在给定转子磁链的位置和两相电流的情况下，该控制算法通过坐标变换和PI调节，实时控制步进电机的磁场和转矩，从而就能高精度、高效率的控制电机。转子磁链的位置可以通过转子的机械位置求得，而转子机械位置可以通过主序脉冲序数 和起始位置求得。从给定的主序脉冲 系统的软硬件实现 3.1系统的硬件电路 本系统采用交直交电压型电路，分为主电源电路和控制电路两大块。主电源电路主要由整流桥
4、、滤波电容及三相逆变桥组成；控制电路以TI的DSP芯片TMS320LF2407为核心，包括电流检测电路、驱动电路和控制信号接口电路。其系统硬件构造框图如所示： 从图可以看出，本系统是一个有电流反应的闭环系统。系统参数由拨板开关设定，运动控制由其它控制电路传送的控制信号控制，控制信号主要有步进信号、方向信号和转矩解锁信号。DSP负责各相电流采样计算、电机位置计算，最后运用矢量算法，得到电压空间矢量的PWM控制信号，经过光电隔离电路和驱动电路，驱动三相逆变桥。 电流采样和隔离放大电路 HCPL-7800隔离运放是专门为电机驱动电流的检测设计的。电机电流通过一个外部采样电阻得到模拟电压，进入芯片。在
5、隔离侧的另一边得到一个微分的输出电压。这个微分的输出电压正比与电机电流，通过一个光耦放大器转换成单端信号。对电机电流采样的应用电路如下列图所示。 功率MOSFET驱动电路 IR2110驱动器兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，因此选择IR2110S来驱动功率Mosfet。IR2110S用于驱动半桥的电路如图5所示。图中C1、VD1分别为自举电容和二极管，C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已充到足够的电压（VC1VCC）。当HIN为高电平时VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的门极和发射极之间，C1通过VM1，Rg1和S1门极栅极电容Cgc1放电，Cgc1被充电。此时
6、VC1可等效为一个电压源。当HIN为低电平时，VM2开通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1、VM2迅速释放，S1关断。经短暂的死区时间（td）之后，LIN为高电平，S2开通，VCC经VD1，S2给C1充电，迅速为C1补充能量。如此循环反复。 3.2 系统的软件设计 系统控制软件由主程序和四个中断服务程序组成。主程序主要负责DSP的系统初始化、开机状态判别、各个变量的初始化和中断等待等任务。 PWM中断服务子程序的主要任务就是：1、负责A、B两相的电流值的采样，并且实现AD转换；2、由主序脉冲序数计算出位置和参考电流信息；3、根据测量值开展矢量变化和计算；4、SVPWM输出。XINT0中断服务子程
7、序的任务是由步进信号和方向信号计算出主序脉冲序数。PDPINT中断服务子程序的任务是实现转矩解锁。掉电中断服务子程序是当系统发生断电的时候，及时的将系统运行信息保存。软件主程序流程图和PWM中断程序如下列图所示： 4 实验结果 本系统的实验对象是一台三相混合式步进电机，型号为：FHB31325，具体参数如下：相电流：4A；步距角：1.2；保持转矩：35 NM；转子惯量：41.24 KgCM2；空载起动频率：3KPPS；最高空载运行频率：25KPPS。 通过数字示波器检测从采样电阻上电压波形得到电流波形（经过数字滤波后波形），步进电机连续运行和加速运行时相电流波形分别如下列图所示。 从电流波形可以看出，混合式步进电机的相电流在低频、高频时都保持良好的正弦性。说明本系统具有良好的动静态性能。 6 结论 以上的分析和实验结果说明，基于DSP的三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统构造简单，控制精度高，性能优良，可应用于目前流行的各种纺织机械和高精度数控机床等。 5 / 5
DSP的三相混合式步进电机脉冲细分驱动系统
