专利名称：三相实时自动细分步进驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及步进电机驱动器，具体指三相步进细分驱动器。属步进电 机驱动控制系统的技术领域。
背景技术：
步进电机与步进驱动器一起构成了步进控制系统，由于控制简单方便，成 本低，可靠性高，已经在各个行业得到广泛应用。但由于步进控制系统的运行 是由一个一个的，分散独立的单步(单一角度跳越方式)拼接完成的，其运行 过程中的单步执行带来的振荡直接导致了震动噪音的产生，为了满足现代工业 自动化技术领域提出的降低震动、减小噪音和提高精度的需求，细分控制技术 得到了普及应用。传统的细分控制是预先将电机的标准步距进行等角度分割后， 进行矢量分解，计算得到各个位置的相电流矢量数据存储于驱动器中，实际工 作时按照上位控制指令的要求，查出指令位置对应的相电流数据，配合驱动器
的控制电路(多为PWM控制)实现电流的精确控制，从而在电机轴上还原出设 定好的分割角度定位要求。细分数越高，单位步距当量就越小，电机运行就越 均匀，从而实现驱动控制系统改善平稳性、提高定位精度、降低噪音的目的。 但是，传统细分控制方式存在很大的局限性，使用高细分就相应的对控制系统 的指令频率输出能力提出了更高的要求，很多的控制系统 不具备这样的高频 控制能力，用户或者要更换高档的控制系统，或是只能选择较低的细分控制方 式，因而对许多行业强烈要求改善震动、噪音等指标的问题，不能获得满意的 效果。发明内容
本实用新型的目的是提供一种三相实时自动细分步进驱动器。利用驱动器 内置的数字信号处理器(DSP)的强大运算处理能力，对控制系统的指令进行实 时自动运算分解，将控制系统的一个指令按照步进电机允许的最小执行当量实 时自动的进行解析，并按照相应的规则时间上顺序执行，从而达到最优的运行 性能。因为这一控制方案完全由步进驱动器内置的运算单元承担，不会增加任 何的上位机开销。新的控制方式采用实时运算替代了传统查表式的细分模式， 从而可以自动根据步进电机的运行状况灵活采取不同的控制策略，达成最优的 运行效果，实现提供一种三相实时自动细分，同时又改善震动、噪音的步进驱 动器。由于减小了谐波的含量，降低了电机的铁损，有利于降低电机的温升损 耗，提高步进电机的工作效率，实现提高节约电力能源的目标。广泛应用于工 业自动化、医疗、国防建设等领域。
本实用新型是这样实现的，其技术方案是在三相实时自动细分步进驱动器 中，采用按编制相关软件执行的数字信号处理器DSP为核心，依次连接由双通 道数模转换器构成的电流指令发生器、PI运算调节器、由三角波发生器和比较 器组成的PWM调制器、桥臂驱动电路、电流设定电路、三相功率逆变桥、电流 检测调理电路，由数字信号处理器DSP接收上位控制发出的脉冲指令、方向指 令和脱机指令，其特征是根据预设的方案生成两相电流数据指令，经双通道数 模转换器结合电流设定电路输出产生三相模拟电流给定指令，通过电流检测调 理电路检测电机绕组中的实际电流，调理后得到电机三相电流的反馈模拟值， 对给定信号和反馈信号通过模拟PI运算调节器进行电流的闭环调节控制，最终 产生PWM信号和六路驱动信号，控制三相功率逆变桥，实现电机的控制运行。以具备高精度，高运算速度的DSP为内核，快速的内核运算速度可以及时 的对控制信号进行响应，并在指令间歇期进行多次的迭代运算，确保输出结果 的细腻。高运算精度可以保证运算结果的误差较小，提高准确率。本案采用16 位DSP，运算速度达到30MPS以上。通过对DSP软件的优化设计及三相实时 自动细分步进驱动器的电路连接方式， 一方面可以提供最大程度的可用性，提 供了16种细分选项，涵盖了几乎所有自动化领域常用的两相、三相、五相步进 电机的步距选择，提供了所有常用工作模式，包括单脉冲、双脉冲、断电记忆、 自动半流等工作模式；另一方面可以通过编制的软件处理提炼指令信息，达到 智能化实时细分的控制，使指令电流尽可能的趋近正弦波，达到最大限度的降 低电机运行震动、噪音、温升的目标。
采用本实用新型的优点和效果在于 传统细分中一旦选择了某种细分，无论运行速度如何会一直保持该细分控 制，细分数低时由于拟和正弦的数据点较少，步距不够细腻，仍存在震动噪音 等问题，而高细分又需要控制系统配合很高的控制信号频率和处理速度，难以 实现高速运行。而实时自动细分通过内置的智能软件算法做到了在任何一种细 分选项下都实现最高细分的运行效果，使震动、噪音等运行指标得到最大的优 化，细分的选择只代表了指令脉冲所对应的旋转角度，而不会再有性能上的差 异，即使用户选择了最粗糙的非细分步(整步)方式，驱动器也可以按照最佳 的细分自主优化执行，在得到最佳运行效果的同时不增加任何额外的上位控制 系统开销，从而可以和原控制系统进行无缝的对接。采用实时自动细分的步进 系统，在改善了电机运行的震动、噪音的同时，也由于更细致的电流控制使其 和正弦波的拟和度更高，因此减 小了谐波的含量，降低了电机的铁损，有利于降低电机的温升损耗，提高步进电机的工作效率，实现提高节约电力能源的目 标。
以下结合附图和实施例，对本实用新型进一步说明如下
图l本发明的原理框图
图2数据信号处理器DSP的电路图
图3给定电流指令数模转换(DA)转换电路
图4电流检测调理电路
图5 PI运算控制电路
图6桥臂功率管驱动电路
图7电流设定电路
图8三相逆变桥
具体实施方式
在图1中，其技术方案是在三相实时自动细分步进驱动器中，其特征在于-由包括依次相联的数字信号处理器(DSP) 1、由双通道数模转换器构成的电流 指令发生器2、 PI运算调节器3、由三角波发生器和比较器组成的PWM调制器 4、桥臂驱动电路5、三相桥6、浮置电流采样处理电路7共计七部分构成完整 的步进驱动器。由DSP接收上位控制发出的脉冲指令、方向指令和脱机指令。
每个部分的功能如下
数字信号处理器(DSP) 1，是本三相实时自动细分步进驱动器的控制中心，负责完成接收控制指令，按照编制好的程序进行运算控制。
由双通道数模转换器构成的电流指令发生器2,负责将上述数字信号处理器 输出的两路数字电流给定指令转化为控制需要的模拟指令REF-U、 REF-V,并 通过采用模拟运算器生成第三路指令REF-W。
浮置电流采样处理电路7，直接串联入两相电机绕组中，经后置处理校正后 得到两相SEN-U、 SEN-V，并运算得出第三相电流的实际值SEN-W。
闭环电流PI运算调节器3，接收上述电流指令发生器2和浮置电流采样处 理电路7的输出，进行比例积分运算调节后生成误差调节修正值，送至比较器， 经由三角波发生器和比较器组成的PWM调制器4，调制后生成三相的驱动信号， 送至桥臂驱动电路5。
桥臂驱动电路5，接收上述4的输出，整理成桥臂功率管需要的栅极信号， 用以控制功率管开关。结合三相桥6逆变，实现功率的变换，将直流母线电压 转化为三相步进电机工作需要的电流。
下面，通过图2的数据信号处理器DSP的电路图以及下面的图3至图8， 对本实用新型的技术方案作详细说明
在图2的技术方案是在三相实时自动细分步进驱动器中，其特征在于由 数字信号处理器DSP接收上位控制发出的脉冲指令、方向指令和脱机指令，根 据预设的方案生成两相电流数据，送至双通道数模转换器。
在图2控制内核DSP芯片电路中，在第15脚(IC1)接收上位控制系统传 来的脉冲控制指令CLK、第14脚(IC2/RD1)接收方向控制指令DIR， 12脚(RC14) 接收脱机指令FREE。从第2脚(RB0/AN0)送出D6、第3脚(RB1/AN1)送 出D7、第21 26脚分别送出D5 D0 (PWM3H/E5~ PWM1L/E0)，合并送出8位宽的电流指令数据D0 D7。由第11脚(RCn)输出通道选择信号DAB， DAB 的高和低两种状态分别指示出当前D0 D7输出的电流数据所代表的两相电流中 某一相的值。由第4脚(RB2/AN2)输出写信号WR，其低电平时控制下一级的 双通道数模转换器，接收D0 D7的数据，并且按照选择信号DAB的通道选择 进行转换，将数据写入到下一级的数模转换器。
在图3的技术方案是在三相实时自动细分步进驱动器中，其特征在于 采用并行数模转换芯片Ul将由DSP发来的电流指令数据转换为模拟指令，以 数模转换芯片Ul的7 14脚接收总线数据D7 D0，数模转换芯片Ul输出的 两通道模拟指令OUT-A和OUT-B，连接到运放电路U3A U3D处理后，通过 运放电路U4D输出第三路电流指令REF-W。
在图3给定电流指令数模转换电路中，并行数模转换芯片Ul将由DSP发来 的电流指令数据转换为模拟指令，以数模转换芯片U1的7 14脚接收总线数据 D7 D0，两通道模拟指令OUT-A、 OUT-B分别从2脚、20脚输出，连接到运 放电路U3C的9脚、U3D的13脚，U3C的输出从8脚通过电阻R11，连接U3B 的6脚，OUT-B从20脚输出，连接到运放电路U3D的13脚，U3D的输出14 通过电阻R13，连接U3A的2脚，分别经U3B和U3A处理后，两路电流给定 模拟指令REF-U、 REF-V信号分别从运放电路U3B的7脚和U3A的1脚输出， 两路输出再分别通过电阻R45和R46连接到运放电路U4D的13脚，电阻R43 跨接运放电路U4D的13和14脚后，从14脚输出第二路电流指令REF-W。
在图4的技术方案是在三相实时自动细分步进驱动器中，其特征在于电 流检测调理电路通过采用电流传感芯片IC7, 1C6，产生与电机实时相电流准确 对应的检测电压SEN-U和SEN-V，将电流传感芯片的l、 2脚短接，3、 4脚短 接后直接串连接入电机的U相和V相绕组中，从7脚得到的输出，经运放电路U9A和U9B的整理后，从U9A的1脚输出SEN-U，从U9B的7脚输出SEN-V， 再通过电阻R29和R30接入运放电路U4C处理后，从运放电路U4C的8脚得 到第三相W相电流的检测值SEN-W。
在图4的电流检测调理电路中，采用电流传感芯片IC7， IC6分别直接串连 接入电机的PHU相和PHV相绕组，其中1， 2脚为一组接入点，3、 4脚为另一 组接出点，电流从一组接入点流入，从另一组接出点流出，与电流大小对应的 检测电压值分别从相对应的芯片IC7， IC6的7脚输出，分别通过电阻R63、 R70 接入运放电路U9A、 U9B的2脚禾tl6脚，使用R75可调电阻修正参考零点，从 U9A的1脚可得到U相电流检测值SEN-U，从U9B的7脚得到V相电流检测 值SEN-V，再分别通过电阻R29， R30接入U4C的9脚处理后，从U4C的8 脚得到W相电流检测值SEN-W。
在图5和图6中的技术方案是在三相实时自动细分步进驱动器中，其特征 在于PI运算控制电路分别接收数模转换电路的参考指令REF和电流采样处理 后的反馈指令SEN, U相参考指令REF-U通过电阻R18接入运放电路U4B的 第6脚，U相的采样反馈指令SEN-U通过电阻R33也接入运放电路U4B的第6 脚，运算结果从运放电路U4B的第7脚输出，送到比较器U6C的第9脚；V相 参考指令REF-V通过电阻R32接入运放电路U4A的第2脚，V相的采样反馈 SEN-V通过电阻R34也接入运放电路U4A的第2脚，运算结果从运放电路U4A 的第1脚输出，送到比较器U6D的第11脚；W相参考指令REF-W通过R41 接入运放电路U5D的第13脚，W相的采样反馈SEN-W通过电阻R39也接入 运放电路U5D的第13脚，运算结果从运放电路U5D的第14脚输出，送到比较 器U6B的第7脚；三路输出分别通过三个比较器U6C, U6B， U6D和三角波信 号PWM8 、 PWM6比较，分别生成三相调制波，PWM-U从比较器U6C第14脚输出，PWM-W从比较器U6B第1脚输出，PWM-V从比较器U6D第13脚 输出.
在图6桥臂功率管驱动电路中，从U6C第14输出的PWM-U连接到半桥驱 动芯片U7的第2， 3脚，从U7的7脚输出上臂功率管开关控制信号UH，从 U7的5脚输出上臂功率管开关控制信号UL; PWM-V从U6D第13脚输出，连 接到半桥驱动芯片U8的第2, 3脚，从U8的7脚输出上臂功率管开关控制信号 VH，从U7的5脚输出上臂功率管开关控制信号VL; PWM-W从U6B第1脚 输出，连接到半桥驱动芯片U10的第2， 3脚，从U10的7脚输出上臂功率管开 关控制信号WH，从U7的5脚输出上臂功率管开关控制信号WL。
在图7的电流设定电路技术方案，是在三相实时自动细分步进驱动器中，其 特征在于设定电流由S1、 S2两位开关和电阻R83 R85， R87， R9，发光二极 管POW，运放电路U9C共同完成，由电阻R9和发光二极管POW连接设定初 始参考电压，并连接到运放电路U9C的10脚，通过开关S1， S2的闭合和开放 选择4种放大倍数，在运放电路U9C的8脚得到四种不同大小的输出电压，作 为数模转换器的参考电压VREF。
在图8三相逆变桥中，M1 M6共同组成了三相逆变桥，电机的三根相线分 别接在半桥中点U、 V、 PHW上，在六路驱动信号UL、 UH、 VL、 VH、 WL、 WH的控制下轮替导通，从而达到控制三相电机绕组电流的目的。
权利要求1.一种三相实时自动细分步进驱动器，采用按编制相关软件执行的数字信号处理器DSP为核心，依次连接由双通道数模转换器构成的电流指令发生器、PI运算调节器、由三角波发生器和比较器组成的PWM调制器、桥臂驱动电路、电流设定电路、三相功率逆变桥、电流检测调理电路，由数字信号处理器DSP接收上位控制发出的脉冲指令、方向指令和脱机指令，其特征是根据预设的方案生成两相电流数据指令，指令经由双通道数模转换器结合电流设定电路的输出产生三相模拟电流给定，通过电流检测调理电路检测电机绕组中的实际电流，调理后得到电机三相电流的反馈模拟值，对给定信号和反馈信号通过PI运算调节器进行电流的闭环调节控制，最终产生PWM信号和六路驱动信号，控制三相功率逆变桥，实现电机的控制运行。
2. 根据权利要求l所述的三相实时自动细分步进驱动器，其特征在于采用 双通道数模转换器构成的电流指令发生器，并行数模转换芯片Ul将由DSP发 来的电流指令数据转换为模拟指令，以并行数模转换芯片U1的7 14脚接收总 线数据D7 DO，并行数模转换芯片U1输出的两通道模拟指令OUT-A和OUT-B， 连接到运放电路U3A U3D处理后，通过运放电路U4D输出第三路电流指令 REF-W。
3. 根据权利要求1所述的三相实时自动细分步进驱动器，其特征在于电流检测调理电路通过采用电流传感芯片IC7， IC6，产生与电机实时相电流准确对 应的检测电压SEN-U和SEN-V，将电流传感芯片的l、 2脚短接，3、 4脚短接 后直接串连接入电机的U相和V相绕组中，从7脚得到的输出，经运放电路U9A 和U9B的整理后，从U9A的1脚输出SEN-U，从U9B的7脚输出SEN-V，再 通过电阻R29和R30接入运放电路U4C处理后，从运放电路U4C的8脚得到第三相W相电流的检测值SEN-W。
4.根据权利要求l所述的三相实时自动细分步进驱动器，其特征在于PI运 算调节器分别接收双通道数模转换器的参考指令REF和电流采样处理后的反馈 指令SEN， U相参考指令REF-U通过电阻R18接入运放电路U4B的第6脚，U 相的采样反馈指令SEN-U通过电阻R33也接入运放电路U4B的第6脚，运算 结果从运放电路U4B的第7脚输出，送到比较器U6C的第9脚；V相参考指令 REF-V通过电阻R32接入运放电路U4A的第2脚，V相的采样反馈SEN-V通 过电阻R34也接入运放电路U4A的第2脚，运算结果从运放电路U4A的第1 脚输出，送到比较器U6D的第11脚；W相参考指令REF-W通过R41接入运放 电路U5D的第13脚，W相的采样反馈SEN-W通过电阻R39也接入运放电路 U5D的第13脚，运算结果从运放电路U5D的第14脚输出，送到比较器U6B 的第7脚;三路输出分别通过三个比较器U6C，U6B，U6D和三角波信号PWM8 、 PWM6比较，分别生成三相调制波，PWM-U从比较器U6C第14脚输出，PWM-W 从比较器U6B第1脚输出，PWM-V从比较器U6D第13脚输出。 5.根据权利要求l所述的三相实时自动细分步进驱动器，其特征在于电流设 定电路的设定电流由S1、 S2两位开关和电阻R83 R85， R87， R9，发光二极管 POW,运放电路U9C共同完成，由电阻R9和发光二极管POW连接设定初始 参考电压，并连接到运放电路U9C的10脚，通过开关S1， S2的闭合和开放选 择4种放大倍数在运放电路U9C的8脚得到四种不同大小的输出电压，作为数 模转换器的参考电压VREF。
专利摘要一种三相实时自动细分步进驱动器，采用依次连接由双通道数模转换器构成的电流指令发生器、PI运算调节器、由三角波发生器和比较器组成的PWM调制器、桥臂驱动电路、电流设定电路、三相功率逆变桥、电流检测调理电路，由数字信号处理器的脉冲、方向和脱机指令，经双通道数模转换器运算产生电流给定指令，通过电流检测调理电路检测电机绕组中的电流，调理后得到电机三相电流的反馈值，对给定信号和反馈信号通过PI运算调节器进行闭环调节控制实现电机的控制。属于步进电机驱动控制系统的技术领域，实现提供一种三相实时自动细分步进驱动器，改善了震动和噪音，应用于自动化、医疗等领域。
文档编号H02P8/22GK201378820SQ20082013208
公开日2010年1月6日 申请日期2008年8月5日 优先权日2008年8月5日
发明者宏 姚, 璐 王 申请人:北京和利时电机技术有限公司