专利名称：三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种新型步进电动机细分驱动装置，具体地说是将绕组电流给定分段切入的正弦波细分驱动器。
技术背景步进电动机开环运行时无需检测转子位置，可以通过改变输入脉冲的频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，具有实现简单、成本低廉等优点。然而从应用的角度来看，制约步进电动机应用的问题就是振荡和失步。
发明内容
本实用新型的目的在于公开三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器。通过采用正弦波细分控制技术设计三相混合式步进电动机驱动器，有效地抑制混合式步进电动机开环运行时的低频振荡和失步等问题。通过采用正弦波细分控制方式，不仅大大提高了混合式步进电动机的分辨率，而且提高了系统抑制低频振荡的能力，改善了其动态特性。采用可编程逻辑器件CPLD实现了正弦波细分运行分配器设计，从而使控制电路得以简化。系统具有高细分精度、正反转控制、细分数可变以及绕组电流给定可调节等功能。同时还设计了一套完备的保护电路，能够对系统的欠压、过温等故障及时地加以保护。
本实用新型其组成包括其组成包括正弦细分运行分配器(1)、欠压和过温保护继电器(2)、电流调节单元(3)、交流电压整流单元(4)、功率驱动电路(5)、电流检测和处理电路(6)、逻辑合成单元(7)、启动延时继电器(8)；交流输入经交流电压整流单元(4)及与交流电压整流单元(4)相连的限流电阻R、滤波电容C、启动延时继电器输入功率驱动电路(5)，功率驱动电路(5)连接步进电机，外部输入的CP步进脉冲(9)、方向指令(10)给出的正反转控制电平、逻辑电路(11)的复位信号以及两路细分方式选择信号输入正弦细分运行分配器(1)，正弦细分运行分配器(1)由可编程逻辑器件ispLSI1032E、12位D/A转换器AD7541、运算放大器LF353共三部分组成，正弦细分运行分配器提供的各相绕组通电时的阶梯电流值数字量分两组输出，一组由CPLD的I/O口输出至逻辑合成单元(7)，第二组经电流调节单元输入到逻辑合成单元(7)，逻辑合成单元(7)经光电隔离连接功率驱动电路(5)，连接于功率驱动电路(5)与步进电机之间的电流检测和处理电路(6)输入电流调节单元(3)。
本实用新型还可以包括1、所述的电流反馈及处理电路(6)的组成包括三相绕组电流反馈电流霍尔传感器，电流霍尔检测绕组电流Ib后，发出的与Ib成一定比例的小电流ib经取样电阻R9得到的反馈电流的电压信号U输入绝对值电路，输出电压Uf＝1U给电流调节单元(3)，绝对值电路由电阻R2、R3、R4、R5、R6，运算放大器LF353，二极管D1、D2连结构成。
2、所述的电流调节单元包括脉宽调制芯片TL494以及与之相连的由R19、C11组成的芯片内部的振荡器，由R22、R21构成分压电路，经精密全波整流、低通滤波处理后的电流反馈信号Uf、经R16、C9滤波后输入+IN1脚，由正弦波细分运行分配器产生的正弦阶梯波给定信号Ug，输入到-IN1脚；R10、R11、R12、R17、C8构成电流PI调节器产生的PWM斩波信号由8脚输出。
本实用新型驱动器由可编程逻辑器件CPLD和电机专用集成芯片等构成，详细的电路说明参见系统介绍。该控制器采用IGBT智能功率模块(IPM)作为主开关元件，具有完善的保护功能。采用专用脉宽调制芯片TL494控制电机绕组电流。长时间的运行结果表明系统的动态特性优良，同时具有成本低、使用方便的特点。
在本系统中，采用可编程逻辑器件CPLD构建了正弦波细分运行分配器。该环形分配器除了决定各绕组的通电顺序外，还产生12位正弦波阶梯输出作为12位D/A转换器的输入。而采用单片机等软件方式，由于其执行方式是非并行的，各信号的同步受到了一定影响，可靠性不高，因此采用Lattice公司生产的CPLD(ispLSI1032E)芯片构建正弦波细分运行分配器，并获得了满意的效果。
在本系统为了在出现异常情况时能够及时检测出故障信号并能够及时封锁系统的输出，切断主回路的电源，使系统停止工作，以保证功率器件不被损坏，我们采用继电器等开关元件设计了完备的欠压、过温等保护电路。此保护电路采用硬件、软件相结合的封锁方式对功率器件进行保护，具有简单、可靠的优点。
图1为本实用新型系统方框图；图2为本实用新型系统的总体结构；图3为本实用新型实施例正弦波细分运行分配器电路图；图4为本实用新型实施例A相正弦细分运行分配器输出波形图；图5为本实用新型实施例电流反馈及处理电路图；图6为本实用新型实施例电流调节单元电路图；图7为本实用新型实施例逻辑合成单元电路图；图8为本实用新型实施例保护电路图；图9为本实用新型实施例模块框图。
具体实施方式
三相混合式步进电动机正弦波细分驱动方式；混合式步进电动机通过环形分配器决定的驱动方式控制各相定子绕组的导通和截止，使电动机产生合成旋转磁场，拖动转子作步进运动。合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小，最佳的细分方式是均匀细分，即等步距角、等力矩的细分，假设三相绕组中电流分别如下式ia＝ImSinθib＝ImSin(θ-2π/3)(1)ic＝ImSin(θ+2π/3)以ia为参考坐标，则合成的电流矢量i为I＝ia+ib+ic＝3/2ImE-Jθ(2)这是一个以3/2Im为幅值、″-θ″为幅角的逆时针旋转矢量。当按照式(1)对A、B和C相绕组电流进行控制，每当参数θ发生变化时，则混合式步进电动机的转子将相应转过一个电角度。本正弦波细分驱动器将式(1)中的电流值离散化处理后，形成阶梯式正弦波电流给定值，按固定时序分别流入三相绕组，其每个阶梯对应电机转动一步，通过改变阶梯波的频率来改变电机转速，而输出的阶梯数确定下电机转过的角度。
系统的总体结构系统的总体结构如时2所示，采用限流电阻R控制电容充电电流的软起动方式，控制起动时的绕组电流，待正常运行时由起动延时继电器控制将电阻R短路，交流电压经整流全部加在滤波电容c上，同时在延时继电器动作一瞬间复位电平翻转，从而使系统开始运行；功率驱动电路由IGBT智能功率模块(IPM)构成；正弦细分运行分配器由Lattice公司生产的可编程逻辑器件ispLSI1032E构成，经12位D/A转换器AD7541和运算放大器LF353得到三相正弦波绕组电流给定；电流反馈采用电流霍尔传感器检测并经精密全波整流、低通滤波等处理后得到；电流调节单元采用他激式PWM工作方式控制绕组电流，由专用脉宽调制芯片TL494实现；系统具有完备的保护功能，欠压和过温保护继电器触点与电阻R串接，控制直流母线电压的通断，在故障发生的情况下立即切断直流母线电压，从而保护了功率器件不受损坏。长时间运行结果表明系统的保护功能安全可靠。
正弦细分运行分配器的电路结构如图3所示。
该环节是步进电机驱动器中的一个重要组成部分，由可编程逻辑器件ispLSI1032E、12位D/A转换器AD7541、运算放大器LF353共三部分组成。各部分工作原理如下(1)可编程逻辑器件ispLSI1032E的应用ispLSI1032E是Lattice公司生产的ISP系列在线可编程器件中的一种。本系统中采用一片ispSI1032E芯片为核心构成正弦波细分运行分配器。根据功能要求CPLD首先要确保各相绕组的通电次序，各相绕组通电时的电流值数字量也由同一片CPLD输出，这样可以方便地实现各信号之间的同步。其中正弦波的正值数据可以由二进制数码记数，而负值数据在数字计算机中需要使用补码。显然对于一个没有CPU的系统，使用补码是不恰当的，为了避免这个问题，我们可以将正弦波分解为两个半波，配合六相的导通信号，负值数据只需要用它的绝对值来表示就可以了。因此CPLD主要有两组输出，首先是三相绕组的阶梯电流给定值，将360度电角度均分成N份，即每个阶梯对应360/N度电角度，再按式(1)计算出各阶梯电流给定值，其二进制数码由CPLD的I/O口输出。当N取不同值时，细分数也随之改变，在本驱动器中通过简单的编程方法，实现了N＝72、36、18、9四种细分方式。为了提高阶梯电流给定的分辨率，采用12位D/A转换器来得到电流给定。第二组输出是同一桥臂上下管的整步开关控制信号，同各相的电流给定构成同步，每一相有两个整步信号(如A+和A-)，共六路输出，因此CPLD共有12*3+2*3＝42路输出。而输入控制信号包含五个，外部输入的步进脉冲、正反转控制电平、复位信号以及两路细分方式选择信号。每接收一个步进脉冲，电机就会旋转一步。正反转控制电平控制电机正反转。复位信号为高电平有效，用来将所有输出置低电平，从而封锁了所有功率管，细分方式选择信号可通过两路信号的不同组合来选择上述四种细分方式。这样CPLD共有42路输出，5路输入，ispLSI1032E足以满足此设计要求。输入信号均经光电隔离后输入CPLD。
(2)绕组电流给定的产生A、B、C三相绕组电流给定经12位D/A转换器AD7541、运算放大器LF353转换成正弦阶梯的模拟电压信号，此信号即为绕组电流给定信号。如图3所示，R1、C1起到滤波的作用，AD7541的17脚接参考电压-5V，改变此参考电压可以调节正弦阶梯波给定的幅值，从而实现绕组电流大小可调功能。
在三相桥式电路中为避免同一桥臂上下开关管的直通必须设置足够的死区时间。根据本系统绕组正弦给定阶梯波形的特点，在软件中设计了一种新颖的死区设置方法。以A相正弦细分运行分配器为例，如图4所示将电流给定值为0的那一个台阶设定为上下管都关断的死区时间即可，即在六个开关管的整步控制信号中去掉电流给定值为零的那一个台阶。这样设置的死区时间足够长，而且又不影响绕组电流控制，因为在电流给定值为零的时间里，上下管应该都关断。
三相绕组电流反馈采用电流霍尔传感器检测并经精密全波整流、低通滤波等处理后得到，其中的一路见图5。电流霍尔检测绕组电流Ib后，发出一个与Ib成一定比例的小电流ib，这里ib＝Ib/200，ib经取样电阻R9得到反馈电流的电压信号U。由于不希望U出现负值数据，负值数据由其绝对值表示，因此U输入绝对值电路。绝对值电路中R2、R3、R4、R5、R6的阻值均取10k，R7取20k，运算放大器采用LF353，D1、D2为FR107快恢复二极管，从而得到输出电压Uf＝|U|。电阻R8与电容C2构成低通滤波电路。
本驱动器的电流调节单元采用了他激式PWM工作方式控制绕组电流，由专用脉宽调制芯片TL494实现，其特点如下(1)斩波频率固定，减小开关噪声。(2)采用传统的PI调节方法。(3)输出PWM波的占空比可从0％到100％。其详细电路结构见图6。其电流调节原理是将正弦阶梯波电流给定与电流反馈经PI调节后产生一个模拟信号，再与一个固定频率的三角载波相比较产生PWM斩波信号，从而控制主电路中的开关管的通断时间来调节电机的绕组电流。其中R19、C11芯片内部的振荡器产生频率为15kHz的载波信号。R22、R21构成分压电路，产生一个-0.4V的电平以消除死区控制，使输出PWM波的占空比可以达到0％-100％。Uf为经精密全波整流、低通滤波处理后的电流反馈信号，经R16、C9滤波后输入+IN1脚，Ug为由正弦波细分运行分配器产生的正弦阶梯波给定信号，输入到-IN1脚。R10、R11、R12、R17、C8构成电流PI调节器。该PI调节器的输出与三角波进行比较后产生PWM斩波信号，由8脚输出。由于输出端采用集电极开路输出方式，因此需加上拉电阻R18。由此输出的斩波控制信号与CPLD发出的整步控制信号一起经逻辑合成单元直接控制功率管的开通和关断。当电流反馈大于电流给定时，减小驱动信号的占空比从而减小实际绕组电流，反之则增大实际电流，从而使绕组电流随时跟踪给定正弦阶梯电流。
逻辑合成单元将CPLD发出的6路整步信号与电流调节单元输出的斩波控制信号合成为驱动功率管开通关断的6路驱动信号，从而控制绕组电流及时地跟随给定正弦阶梯波信号变化。其中一相的逻辑合成电路如图7所示，A+、A-分别为A相上下桥臂的整步控制信号，TL494的斩波控制信号经过反向器与整步控制信号相与得到U、/U两路驱动信号，反向器、与非门分别选用74HC04、74HC00芯片。
功率驱动电路由IR公司生产的IGBT智能模块器件1RAMS06UP60A构成。该器件以IGBT为基本功率开关元件，构成三相桥式逆变器以适应电动机变频调速装置的需要，并且集成了基于自举技术的专用集成驱动芯片，使其可用于高压系统。该模块耐压600V，最大电流12A，最高开关频率20kHz。
保护电路电路结构见图8。保护电路的作用是保证功率开关器件能在正常工作条件下运行，当系统出现异常情况时能及时地检测出故障信号并封锁系统的输出，切断主回路的电源，使系统停止工作，以保证功率器件不受损坏。本系统具有主电路充电延时、欠压保护、硬件过温自锁保护、驱动信号软件封锁保护功能。各部分的工作原理如下(1)欠压保护本系统具有欠压保护的功能。欠压保护的目的是避免功率开关元件IGBT出现欠压驱动。欠压驱动即开关电源在欠压状态下，控制电路不能正常工作，而功率开关元件上已经施加了直流母线电压，极易烧毁功率开关元件。因此当电源欠压时必须停止系统工作，本系统的欠压保护由一个两开两闭继电器及其外围电路构成，结合主电路延时电路一起使系统在开关电源正常工作之前不切入直流母线电压，当开关电源开始正常工作后，由主电路充电延时电路施加直流母线电压，使系统开始正常工作。如图7所示，J2为具有两套触点J2-1、J2-2的继电器，其线圈经R25分压后串接在开关电源+5V输出端，R26为线圈电感放电。当开关电源工作正常时J2线圈通电，J2-1的常开触点吸合，R接入主电路为C充电，直流母线电压开始逐渐上升，系统进入延时启动过程。同时J2-2的常开触点也闭合，R31、C4加+15V电压开始充电，主电路延时充电继电器的控制部分开始工作，延时开始。当开关电源处于欠压状态时，J2线圈不通电，触点不吸合，J2-1、J2-2的常开触点都断开使主电路延时充电电阻R不接入充电回路中，同时延时充电控制继电器J1不能吸合，J1-1常开触点也断开，这样主电路直流母线电压被断开，从而彻底停上系统工作，同时R24通过常闭触点为滤波电容C放电，R32通过常闭触点为电容C4放电。
(2)过温保护任何电子元件以及功率器件都有一个工作范围，温度过高会影响系统的正常工作。本系统的过温保护具有自锁功能，即一旦系统有过温故障情况的出现则停止系统工作，即使之后温度恢复正常系统也不再运行，必须经调试人员检测后重新启动系统方可正常工作。一般的自锁功能都是通过锁存器锁存过温信号从而由软件封锁驱动信号的输出，而本系统设计了一种独特的白领保护电路，自锁功能通过一个继电器实现，使过温保护可靠而又容易实现。过温保护电路工作原理如下如图7所示，温度检测由一个触点常开温度开关T来实现，温度一旦超过温度开关限制的值后，温度开关T的触点由断开变为闭合。自锁功能由继电器J3实现，常开触点与T并联，常闭触点串接在J2的线圈与地之间，T闭合后J3线圈经R27分压后串接在开关电源+5V输出端，则其触点J3-1吸合，常开触点短路温度开关T从而将J3自锁在吸合状态，常闭触点断开切断J2的线圈供电，J2线圈断电与欠压时系统的工作情况相同，系统停止工作，必须重新启动系统才能正常工作，同时LED点亮显示过温故障。
(3)主电路充电延时电路本系统启动，要求直接通入交流220V电压，则滤波电容C上将产生极大的电流冲击，从而对系统造成损害。为减小这种损害，加入了主电路充电延时电路，具体做法就是在滤波电容前加一个充电电阻，在系统启动时使直流母线电压逐步加入，避免了启动大电流的冲击。具体的实现方法如下加入一个一开一闭继电器J1作为延时继电器，继电器J2吸合后J2-2常开触点闭合，延时充电电路开始工作，其延时时间由+15V为R31、C4充电控制，当充电到一定时间后NPN型三极管导通，J1线圈导通，J1-1常开触点吸合从而将R及J2-1短路，系统进入正常工作状态，其中R33为J1线圈放电。
(4)驱动信号软件封锁保护系统在硬件保护的同时还具有软件保护功能，即当过温、欠压故障情况出现或系统延时充电还未结束时，系统工作不正常，则不能给功率开关元件加驱动信号，此时需通过软件封锁所有驱动信号。本系统的保护优先级为过温、欠压、充电延时，即当没有过温、欠压故障时主电路延时充电才开始，因此驱动信号软件封锁只需要检测充电延时电路是否完成即可，在没有完成充电延时之前驱动信号应一直处于封锁状态，一旦充电结束继电器J1吸合则系统开始正常工作，此时开始正常发出驱动信号。具体电路中将控制继电器J1线圈通电的NPN型三极管集电极通过上拉二极管D和上拉电阻R30接至控制电路的+5V电源，当三极管不导通，复位控制信号为高，此复位控制信号通过适当的逻辑电路后送入CPLD的复位引脚来封锁驱动信号。三极管导通后，线圈通电，复位控制信号被拉低，系统进入正常工作状态。整套保护电路应用到实际系统中，反应灵敏、可靠。
本发明可编程逻辑器件ispLSI1032E的编程设计。
本系统的可编程逻辑器件ispLSI1032E的编程设计采用混合式输入方式，即原理图和ABEL语言混合编程的方法。开发软件采用Lattice公司提供的ispDesignExpertsystem，该软件操作简便、灵活，支持VHDL、ABEL以及混合输入等多种编程方法。原理图如图9所示由计数器模块和存储器模块两部分组成。计数器模块实现可逆计数器功能，CW、EN为方向和复位信号，M1、M0为细分数选择开关。在输入时钟CP和方向控制电平的作用下，计数器输出值DATA＝[Q0-Q5]不断增加或减少。存储器模块的输出随DATA值变化而改变，根据三相离散正弦阶梯波电流给定值的二进制编码表不同的DATA值对应不同的输出值，继而改变阶梯值。同时在计数器计数过程中要判断EN的电平高低，EN为有效复位电平时，Q6置1使存储器模块输出均为0，从而达到封锁所有驱动信号的作用。M1、M0的不同组合决定了可逆计数器的位数，00对应36进制计数器，01对应18进制计数器，10对应9进制计数器。其中36进制计数器对应180度电角度要走36步，360度电角度对应72步，即步进电动机12细分，以此类推共三种不同的细分数。计数器模块和存储器模块均采用ABEL语言编程。
权利要求1.一种三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器，其组成包括正弦细分运行分配器(1)、欠压和过温保护继电器(2)、电流调节单元(3)、交流电压整流单元(4)、功率驱动电路(5)、电流检测和处理电路(6)、逻辑合成单元(7)、启动延时继电器(8)；其特征是交流输入经交流电压整流单元(4)及与交流电压整流单元(4)相连的限流电阻R、滤波电容C、启动延时继电器输入功率驱动电路(5)，功率驱动电路(5)连接步进电机，外部输入的CP步进脉冲(9)、方向指令(10)给出的正反转控制电平、逻辑电路(11)的复位信号以及两路细分方式选择信号输入正弦细分运行分配器(1)，正弦细分运行分配器(1)由可编程逻辑器件ispLSI1032E、12位D/A转换器AD7541、运算放大器LF353共三部分组成，正弦细分运行分配器提供的各相绕组通电时的阶梯电流值数字量分两组输出，一组由CPLD的I/O口输出至逻辑合成单元(7)，第二组经电流调节单元输入到逻辑合成单元(7)，逻辑合成单元(7)经光电隔离连接功率驱动电路(5)，连接于功率驱动电路(5)与步进电机之间的电流检测和处理电路(6)输入电流调节单元(3)。
2.根据权利要求1所述的三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器，其特征是所述的电流反馈及处理电路(6)的组成包括三相绕组电流反馈电流霍尔传感器，电流霍尔检测绕组电流Ib后，发出的与Ib成一定比例的小电流ib经取样电阻R9得到的反馈电流的电压信号U输入绝对值电路，输出电压Uf＝1U给电流调节单元(3)，绝对值电路由电阻R2、R3、R4、R5、R6，运算放大器LF353，二极管D1、D2连结构成。
3.根据权利要求1所述的三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器，其特征是所述的电流调节单元包括脉宽调制芯片TL494以及与之相连的由R19、C11组成的芯片内部的振荡器，由R22、R21构成分压电路，经精密全波整流、低通滤波处理后的电流反馈信号Uf、经R16、C9滤波后输入+IN1脚，由正弦波细分运行分配器产生的正弦阶梯波给定信号Ug，输入到-IN1脚；R10、R11、R12、R17、C8构成电流PI调节器产生的PWM斩波信号由8脚输出。
专利摘要本实用新型公开一种三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器，其组成包括正弦细分运行分配器1、欠压和过温保护继电器2、电流调节单元3、交流电压整流单元4、功率驱动电路5、电流检测和处理电路6、逻辑合成单元7、启动延时继电器8。本实用新型是一种新型三相混合式步进电动机正弦波细分驱动器，通过采用正弦波细分驱动技术，不仅大大提高了混合式步进电动机的分辨率，而且提高了系统抑制低频振荡的能力，改善了其动态特性。使用可编程逻辑器件CPLD实现了集成式正弦波细分运行分配器设计，从而使控制电路得以简化。系统具有高细分精度、正反转控制、细分数可变以及绕组电流大小可调节等功能。同时还设计了一套完备的保护电路，能够及时地对系统的欠压、过温等故障加以保护。
文档编号H02P8/36GK2865133SQ20052002094
公开日2007年1月31日 申请日期2005年6月3日 优先权日2005年6月3日
发明者孙力, 高晗璎, 关嵩, 赵克, 康尔良, 吴凤江, 严冬, 刘大为 申请人:孙力, 高晗璎