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        兩相混合式步進電動機動態(tài)多細分驅(qū)動器設(shè)計

        2013-02-22 08:22:32劉景林董亮輝
        微特電機 2013年2期
        關(guān)鍵詞:細分電動機脈沖

        楊 斐,劉景林,董亮輝

        (西北工業(yè)大學(xué),陜西西安710072)

        0 引 言

        本文設(shè)計的兩相混合式步進電動機驅(qū)動器用于一種高精度、快響應(yīng)對日定向伺服系統(tǒng),該伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。驅(qū)動器根據(jù)位置誤差傳感信號分別驅(qū)動系統(tǒng)水平面和俯仰面步進電動機,帶動傳動裝置,使太陽能帆板和太陽光線保持垂直,以達到最高的太陽利用率。

        圖1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

        為了滿足該伺服系統(tǒng)的高精度要求,改善步進電動機低速運行時的轉(zhuǎn)矩脈動、振蕩及噪聲,本文采用了細分驅(qū)動技術(shù);但當系統(tǒng)運行在高細分狀態(tài)下時,系統(tǒng)的響應(yīng)性能有所損失。為了同時滿足該伺服系統(tǒng)的快響應(yīng)要求,本文提出了動態(tài)多細分調(diào)節(jié)的控制策略:當伺服系統(tǒng)的位置誤差較大時,步進電動機運行在低細分或整步狀態(tài),實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的快速跟蹤;當位置誤差減小時,增加步進電動機的細分數(shù),保證跟蹤精度。在步進電動機動態(tài)運行過程中,為了避免細分數(shù)切換造成的失步現(xiàn)象,本文采用了自適應(yīng)細分控制方法,使得步進電動機在細分切換的過程中保持轉(zhuǎn)速恒定,從而實現(xiàn)了步進電動機動態(tài)運行時細分數(shù)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

        1 動態(tài)多細分驅(qū)動技術(shù)原理

        1.1 細分驅(qū)動原理

        步進電動機的細分控制從本質(zhì)上講是對步進電動機勵磁繞組的電流進行控制,使得步進電動機內(nèi)部合成磁場為均勻的、離散化的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,實現(xiàn)步進電動機步距角的細分[1]。對于兩相混合式步進電動機,向A、B兩相分別通以幅值相同、相位相差的正弦波電流時,其合成電流矢量與合成磁場矢量將在空間做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運動。此時,A、B兩相繞組的電流:

        式中:im為電機的額定電流峰值;α為A、B兩相合成磁場矢量與A相磁場矢量的夾角。

        1.2 動態(tài)多細分調(diào)節(jié)控制

        按照傳統(tǒng)的控制方式,步進電動機運行過程中細分狀態(tài)不發(fā)生變化,對于高精度、快響應(yīng)對日定向跟蹤伺服系統(tǒng),應(yīng)預(yù)先設(shè)定步進電動機工作在最高細分狀態(tài)以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。由步進電動機細分驅(qū)動時的轉(zhuǎn)速公式可知,細分狀態(tài)不變時,只能通過改變驅(qū)動脈沖的頻率來控制電機的轉(zhuǎn)速。當位置誤差較大時,需增大驅(qū)動脈沖頻率、提高電機的轉(zhuǎn)速以滿足系統(tǒng)的快響應(yīng)要求。但此時步進電動機運行在高細分、高驅(qū)動脈沖頻率情形下,將出現(xiàn)繞組相電流波形不對稱現(xiàn)象,有可能造成步進電動機失步,降低了系統(tǒng)的可靠性。另外,高頻脈沖驅(qū)動條件下開關(guān)管的損耗也相應(yīng)增加,電機發(fā)熱嚴重。

        為了解決上述問題,本文提出了動態(tài)多細分控制策略:當位置誤差較大時,步進電動機工作在整步狀態(tài)以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這樣一來,在相同的脈沖頻率下,整步運行提升了步進電動機的轉(zhuǎn)速,使得位置誤差迅速減小。隨著位置誤差的減小,逐步提高步進電動機的細分數(shù)至最大細分數(shù)128,以滿足跟蹤系統(tǒng)高精度要求。步進電動機的細分狀態(tài)、驅(qū)動脈沖頻率和轉(zhuǎn)速隨位置誤差變化的關(guān)系如圖2所示。

        圖2 動態(tài)多細分調(diào)節(jié)示意圖

        1.3 自適應(yīng)細分控制原理

        細分驅(qū)動時,步進電動機的轉(zhuǎn)速n和細分數(shù)S滿足以下關(guān)系:

        式中:ZR為轉(zhuǎn)子齒數(shù),由電機結(jié)構(gòu)決定;N為電機運行拍數(shù),細分驅(qū)動時N為定值。在細分狀態(tài)動態(tài)切換的過程中,細分數(shù)S成倍變化,若驅(qū)動脈沖信號頻率保持不變,步進電動機的轉(zhuǎn)速將發(fā)生突變,造成步進電動機失步,影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了解決上述問題,本文采用自適應(yīng)細分技術(shù),在細分切換時相應(yīng)地改變步進電動機驅(qū)動脈沖信號的頻率f:細分數(shù)變?yōu)樵瓉淼腒或1/K時,用于驅(qū)動步進電動機的脈沖頻率f應(yīng)相應(yīng)地改變?yōu)樵瓉淼腒或1/K[2]。具體來講,當細分狀態(tài)由整步變?yōu)榘氩綍r,歩距角減少了一半,故步進電動機相應(yīng)的驅(qū)動脈沖應(yīng)變?yōu)樵瓉淼?倍,使得細分數(shù)變化時電機轉(zhuǎn)速保持恒定。

        2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

        本文設(shè)計的兩相混合式步進電動機動態(tài)多細分調(diào)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示,包括控制信號輸入單元、控制器單元、電源轉(zhuǎn)換單元以及功率驅(qū)動單元。具有多種細分數(shù)選擇,輸出電流可調(diào),自適應(yīng)定細分選擇等功能。

        圖3 步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        輸入單元輸入的控制信號有復(fù)位、起停、正反轉(zhuǎn)、誤差信號(用輸入脈沖信號的頻率表示誤差的大小)等??刂破鲉卧訟ltera公司的MAXⅡ系列型號為EPM570T100C3的CPLD器件為核心,配以晶振電路和JTAG接口,構(gòu)成控制器的最小系統(tǒng)。電源轉(zhuǎn)換單元將輸入的28 V直流電壓分別轉(zhuǎn)換成CPLD所需要的3.3 V電壓和D/A轉(zhuǎn)換器所需要的5 V電壓。

        功率驅(qū)動單元包含一個雙通道D/A轉(zhuǎn)換器和一個雙通道恒流驅(qū)動芯片。D/A轉(zhuǎn)換器選用PBM3960芯片,分時完成兩路8位數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換[3]。驅(qū)動單元以PBL3771芯片為核心,該芯片內(nèi)部集成了時鐘振蕩器、比較器、觸發(fā)器以及兩個內(nèi)部帶續(xù)流二極管的H橋,應(yīng)用固定關(guān)斷時間的PWM恒流控制方法,控制兩相混合式步進電動機A、B兩相電流的大小和方向[4]。

        3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)及時序仿真

        3.1 CPLD軟件內(nèi)部模塊框圖

        本文應(yīng)用VHDL硬件描述語言編寫了軟件程序。CPLD控制器首先根據(jù)當前系統(tǒng)誤差值解算出當前系統(tǒng)的細分數(shù)、驅(qū)動脈沖頻率和A、B兩相電流數(shù)據(jù)的地址值,然后通過正弦波查表的方法計算出兩相電流的數(shù)據(jù)值,最后在驅(qū)動脈沖的正半周期,發(fā)送相應(yīng)的D/A控制信號分時進行A、B兩相的D/A轉(zhuǎn)換。本文采用模塊化設(shè)計方法將軟件內(nèi)部分為3個模塊:自適應(yīng)細分模塊、D/A轉(zhuǎn)換控制模塊以及正弦波查表輸出模塊,其模塊組成如圖4所示。

        圖4 軟件內(nèi)部模塊框圖

        3.2 自適應(yīng)細分模塊

        自適應(yīng)細分模塊本質(zhì)上就是一個頻率變換模塊。當輸入誤差的大小(本文用方波信號cp_in的頻率大小來表示誤差信號的值)隸屬于不同數(shù)值范圍時,相應(yīng)地改變步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的細分數(shù)choice和驅(qū)動脈沖信號cp_out的頻率,以實現(xiàn)自適應(yīng)細分。

        圖5為自適應(yīng)細分模塊程序在QuartusⅡ9.0軟件運行環(huán)境中的時序仿真結(jié)果,系統(tǒng)前半部分運行在64細分狀態(tài),后半部分選擇128細分。從圖5可知,當細分數(shù)由64變?yōu)?28時,輸出脈沖信號cp_out的頻率由原先輸入脈沖信號cp_in頻率的一半變?yōu)榕c輸入脈沖信號相同,實現(xiàn)了自適應(yīng)細分。

        圖5 自適應(yīng)細分模塊時序仿真結(jié)果

        3.3 正弦波查表模塊

        該模塊根據(jù)當前的細分數(shù)和電機轉(zhuǎn)向設(shè)定值,計算出A、B兩相電流數(shù)據(jù)的地址值并應(yīng)用查表法計算出該地址所對應(yīng)的數(shù)據(jù)值。在本設(shè)計中,將0~π這1/2周期的正弦波的幅值離散化為256個數(shù)值 A0、A1~A255存入 CPLD 中,其中k=0,1,2,…,255。將這 256 個值分別和 00000000到11111111這256個地址一一對應(yīng)。與此同時,在驅(qū)動脈沖的正半周期,該模塊根據(jù)A0和A1的取值,按照DA控制的時序要求,分時輸出A、B兩相的電流值至PBM3960數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的D7~D0端口。

        3.4 數(shù)??刂颇K

        本文采用有限狀態(tài)機(Finite State Machine)的設(shè)計方法實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換芯片的時序控制,該方法可實現(xiàn)有效、可靠的時序邏輯控制[5]。系統(tǒng)復(fù)位后進入空閑狀態(tài)idle;當輸出脈沖cp_out的上升沿到來時進入A相D/A轉(zhuǎn)換的第一個狀態(tài)a_ready,該狀態(tài)為DA轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的準備階段;然后進入A相的第二個狀態(tài)a_wr,A相開始進行DA轉(zhuǎn)換,并保持一定的寬度,以滿足寫使能信號的要求;之后進入a_hold狀態(tài),等待A相DA轉(zhuǎn)換完成。B相的時序與A相相同,D/A轉(zhuǎn)換狀態(tài)機轉(zhuǎn)化圖如圖6所示。

        圖6 D/A轉(zhuǎn)換狀態(tài)機轉(zhuǎn)化圖

        圖7為D/A轉(zhuǎn)換控制模塊軟件在QuartusⅡ9.0環(huán)境下的時序仿真結(jié)果。該模塊在驅(qū)動脈沖信號cp_out的正半周期共輸出兩個寫信號(wr=0),分別對應(yīng)于a0=0、a1=0和a0=1、a1=0這兩個狀態(tài),完成了A、B兩相的D/A轉(zhuǎn)換。

        圖7 D/A時序控制仿真結(jié)果

        4 實驗結(jié)果及分析

        圖8給出了2細分、4細分、8細分和128細分狀態(tài)下A相繞組的電流波形。從實驗結(jié)果可知,A相繞組電流波形為正弦包絡(luò)的階梯波,且細分數(shù)越高,電流波形越接近正弦、電機轉(zhuǎn)矩波動越小、運行越平穩(wěn)。

        圖8 A相電流繞組電流實驗波形

        5 結(jié) 語

        本文以CPLD為控制核心,選用PBL3771步進電動機專用驅(qū)動芯片,結(jié)合細分驅(qū)動技術(shù)和自適應(yīng)細分方法,提出了步進電動機動態(tài)多細分控制方法,并制作了一個兩相混合式步進電動機控制驅(qū)動器。實驗結(jié)果表明,該驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計功能正確、運行可靠,可以實現(xiàn)步進電動機動態(tài)運行過成中細分數(shù)的穩(wěn)定調(diào)節(jié),使得步進電動機在位置誤差大時采用整步或低細分數(shù)運行,帶動傳動裝置快速旋轉(zhuǎn),迅速減小誤差;誤差小時,運行在高細分狀態(tài),以較低的速度帶動傳動裝置,保證系統(tǒng)的跟蹤精度。

        [1] 徐志躍,文招金,陳偉海.基于FPGA的兩相步進電機細分驅(qū)動電路設(shè)計[J].電氣傳動,2008,38(4):59-62.

        [2] 張洪波.寬速自適應(yīng)細分步進電機驅(qū)動器研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.

        [3] Ericsson.PBM3960-Microstepping controller/dual digital-toanalog converter[M].1999.

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