专利名称：一种步进电机细分驱动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于步进电动机技术领域，特别涉及一种高细分、全数字、微细分技术的步进电机驱动装置。
背景技术：
步进电机是一种作为控制用的特种电机，是把数字量转化为角位移的电气传动器件，它的运转与控制脉冲同步，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。步进电机由于高精度的定位控制、位置及速度控制简便、步距误差无累积等优点，在低负载、低速度的工业控制中应用十分广泛。它被广泛运用于数控机床、自动化生产线、工业仪器仪表、计算机设备等领域中，成为不可或缺的重要电机组件。但是，步进电机的运行不能由普通的交直流电源供电，需要专用的驱动设备，所以步进电机的性能在很大程度上取决于其驱动系统性能的优劣。目前市场上的步进电机驱动器大多是由单片机和分立元件组成，系统集成度低，抗干扰能力差，步距角分辨率不高，导致步进电机定位精度不高，存在失步和振荡两个问题，制约了步进电机的应用。对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。步进电机细分驱动技术是20世纪70年代中期发展起来的，它是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。1975年美国学者T. R. Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的20多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。步进电机驱动器作为一种电力电子器件，对它的控制实时性要求很高，因此微处理器的高速发展，是推动步进电机驱动器发展的一个重要因素。基于单片机实现步进电机控制是目前的一种重要手段。步进电机本身就是离散型自动化执行元件，所以它特别适合采用单片机及嵌入式系统控制。同专用相比，单片机有更大的灵活性，更易实现复杂的控制策略。随着微处理器技术的飞速发展以及单片机性价比的提高，利用单片机实现步进电机控制已经非常普遍。传统的恒流斩波驱动电路通过电阻对电机绕组上电流采样得到相应的电压信号， 与给定电压比较输出高低电平控制开关管的导通与关断，这样确保绕组电流在给定值附近较小范围内反复震荡，其平均值稳定在给定值上。尽管在斩波驱动下绕组电流恒定，转矩输出均勻，但是由于电流波形是锯齿形，这种驱动方式会产生较大的电磁噪声，而且由于比较操作无法控制与门输出斩波频率，过高的变化频率会增大开关管的开关损耗，影响其使用寿命ο电流滞环控制技术将恒流斩波驱动中的电流给定由一个恒定的值转化为由电压量模拟的正弦阶梯波，将它与实际检测得到的电机电流信号进行比较，再经滞环比较器去导通或关断逆变器的相应开关器件，使实际电流跟踪给定电流的变化。这种方法减小了步距角，提高了分辨率，但电机转速在升降时开关频率变换产生的电磁噪声同样存在。固定开关频率型电流控制则是将给定正弦电流信号与实测的电流信号的误差，经电流调节器处理后再与一个固定频率的三角波信号相比较而产生PWM波，其占空比受经电流调节器处理后的误差信号的控制，PWM波的频率即为三角载波的频率。其中电流调节器应具有比例或比例积分的作用，以调整电流误差信号，使电机电流大小和相位的误差最小。 由于固定开关频率型在电磁噪声和输出电流谐波方面具有很大优势，因此成为目前以单片机作为主控芯片的正弦电流细分模拟控制方式。但是，单片机受计算速度与精度局限，当采用细分控制时，细分数不能达到很高， 低频下噪声大，电机易抖动，正常运行下温升也大。另外，为弥补单片机运算速度劣势，通常采用模拟运算放大器构成的调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象的变化适应能力差；而且模拟控制器也很难实现高级的控制策略和控制方法，检测精度不高，控制精度差；还有用模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件设计复杂可靠性低，可重复性差。基于以上分析，本设计人针对现有的步进电机细分驱动装置进行研究改善，本案
由此产生。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种步进电机细分驱动装置，其可显著改善传统步进电机驱动器低速噪声大、高速易失步的缺点。本实用新型为解决以上技术问题，所采用的技术方案是一种步进电机细分驱动装置，包括中央处理单元及分别与之连接的光耦隔离电路、电流检测调理电路、LED指示电路、RS232通讯电路、电源电路、电压电流保护电路、功率驱动电路，所述功率驱动电路还与步进电机连接。上述电流检测调理电路采用隔离型电流霍尔传感器检测绕组电流。采用上述方案后，本实用新型结合细分驱动及恒流斩波驱动的基本原理提出电流矢量恒幅控制方案，以美国德州仪器(Tl)公司的运动控制芯片TMS320F2 (作为主控单元， 将电流传感器检测到的电压经过A/D转换后变成数字值，在控制器内部和给定正弦波细分数字量经过软件积分比例PI控制，再通过专用单元输出控制功率开关管。驱动系统内部实现了全数字式电流闭环PI调节。采用数字控制单元摒弃了复杂的硬件电路，硬件复杂度明显降低，从而提高可靠性。高速时钟对实现复杂的高精度控制算法提供了可能，采用新型电流控制方式，即虚拟倍频技术实现了内部微细分技术，使得低细分档位电机的运行特性与高细分档位电机的运行性能相同。由此，本实用新型具有以下改进(1)更低的噪声与温升。传统的细分控制方式，每一个外部指令脉冲，对应一个阶梯波电流数据输入，电机前进一步。而新型的输入控制方式，每来一个脉冲，均勻输入K个阶梯波电流数据，K的数值由系统设置的最大细分数与当前用户接口的细分设置决定，这种
4输入方式相当于细分倍数改变为原来的K倍的同时将输入脉冲的频率虚拟改变为原来的k 倍。这种虚拟倍频技术可以显著改善电机在低速或低细分运行状态下的噪声性能，同时减小电机的发热量；(2)降低硬件成本，增强算法控制功能，提高系统重用性。由于采用了数字的绕组电流PI控制，降低了系统对硬件电路的设计要求。PI调节单元中参数Kp，Ki，Kd可以通过上位机软件根据现场条件手动整定完成；考虑到PID参数整定的复杂性，基于上位机软件的数字PID参数整定相对于传统的模拟驱动器的PI调节变得相对简单。
图1是本实用新型的整体架构图；图2是本实用新型中电压电流保护电路的结构示意图；图3是本实用新型中电源电路的结构示意图；图4是本实用新型中功率驱动电路的结构示意图；图5是本实用新型中电流调节抗饱和数字PID框图；图6 (a)是采用本实用新型细分驱动时的主程序流程图；图6(b)是采用本实用新型细分驱动时的eCAP捕获中断程序流程图；图6(c)是采用本实用新型细分驱动时的ePWM中断服务程序流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。如图1所示，本实用新型提供一种步进电机细分驱动装置，包括中央处理单元6、 光耦隔离电路2、电流检测调理电路9、LED指示电路3、RS232通讯电路1、电源电路5、电压电流保护电路4和功率驱动电路7，以下将分别对其连接关系进行说明。中央处理单元6与光耦隔离电路2连接，用以接收外部指令脉冲信号、方向信号以及使能信号。中央处理单元6与电流检测调理电路9连接，对电机绕组电流取样。中央处理单元6与LED指示电路3连接，用以指示步进电机的运行状态。中央处理单元6与RS232通讯电路1连接，用以接收上位机的控制信号和上传步进电机的转角信息。中央处理单元6与电源电路5连接，接收外设与内核的工作电压，可配合图3所示。在本实施例中，采用低价格比较器LM339外部输入电压作过压与欠压保护，如图3所示， 外部输入电压经电阻分压后在比较单元11同相输入，与低压临界VREFl比较；同时作为比较单元13的反相输入，与高压临界VREF2比较；电流检测调理电路的绕组电流转化为电压信号后接入比较单元反相输入，与参考信号VREF3比较；高低压保护信号与过电流保护信号通过二极管14隔离完成过、欠电压保护与过电流保护。中央处理单元6与电压电流保护电路4连接，保证系统在额定的电压与电流范围内正常工作，防止关键元件损坏，可配合图2所示。功率驱动电路7 (其结构可如图4所示)与步进电机8连接，将中央处理单元6输出的PWM信号功率放大，驱动功率管使步进电机8工作；电流检测调理电路9也与功率驱动电路7连接，采集处理步进电机8的绕组的电流信号。中央处理单元6支持定点计算的数字信号处理算法，同时片内带丰富的外设资源，如片内AD采样电路65、片内串行通信SCI接口 61、片内增强型PWM单元62、片内增强型捕获接口 eCAP 64、32位定点处理单元63可方便实现定点控制算法。同时具备片内SRAM、 片内FLASH，低电压双电源供电特征。片内AD接口单元实现对电流绕组电流的实时采样， 作为电流PI模块的输入信号，CPU根据外部指令脉冲信号查询片内FLASH的电流数据表与电流调节模块PI输出作定点乘运算，计算结果送ePWM单元，输出占空比按一定规律变化的 PWM波形。所述功率驱动电路7包含两部分，驱动电路与功率主电路。驱动电路将CPU产生的PWM信号转化为足以驱动开关管动作的信号；功率主电路是一个逆变电路，将外部电源供给的直流电变换为驱动混合式步进电机的交流电。所述电流检测调理电路9通过电流互感器对功率主电路直流母线电流做电压转化，并通过仪表差分运算放大器将电压值放大调整到CPU单元的片内AD允许范围，同时采用低通滤波电路对输入到AD的信号滤波。所述电压电流保护电路4采用比较器单元与系统设定的电压与电流值比较，根据不同情况输出保护信号，确保开关管、电机及其它驱动板电子元件安全。本专利依据电流矢量恒幅旋转原理，控制电机绕组中电流，使电机内部建立均勻的圆形磁场，各相绕组的合成磁场矢量或者说各相绕组的电流合成矢量(它与前者仅差个参数)应在空间做幅值恒定的旋转运动，从而实现理论意义上电机的恒转矩与均勻细分控制。具体可以依以下步骤实现步骤一建立一种基于电流矢量恒幅控制的步进电机细分驱动的函数数学模型， 若控制两相的电流
「_ Jia = Im sin(^)\式中ia，ib分别是A相、B相绕组的电流；Im是电流矢量的幅值，θ为转子偏离参考点的角度，则合成电流矢量'i = ia +ibe = 1^ieie +β-]θ) + ^(β]θ -e-’、。=Ime-]e这是以Im为幅值，以-θ为幅角的矢量，当θ发生变化时，合成电流矢量转过响应的角度，且幅值大小保持不变，使两相电流按照正弦规律变化，则电流矢量恒幅均勻旋转。步骤二 将电流检测调理电路输出到的电压经过A/D转换后变成数字值，在控制器内部和给定正弦波细分数字量作闭环积分比例PI控制，再通过专用单元输出控制功率开关管。电流闭环调节采用抗积分饱和PI调节方法，电流检测与调理通过电流互感器隔离采样与差分放大完成。本实用新型当电机处于恒速运行时采用抗积分饱和常规PID调节，消除稳态误差，见图5所示。PID控制算法的数字型位置算式如下所示U(k) = Kpe(k) + K1 Yj e(i) + Kd (e(k) - e(k -1))[0049]这里:
权利要求1.一种步进电机细分驱动装置，其特征在于包括中央处理单元及分别与之连接的光耦隔离电路、电流检测调理电路、LED指示电路、RS232通讯电路、电源电路、电压电流保护电路、功率驱动电路，所述功率驱动电路还与步进电机连接。
2.如权利要求1所述的一种步进电机细分驱动装置，其特征在于所述电流检测调理电路采用隔离型电流霍尔传感器检测绕组电流。
专利摘要本实用新型公开一种步进电机细分驱动装置，包括中央处理单元及分别与之连接的光耦隔离电路、电流检测调理电路、LED指示电路、RS232通讯电路、电源电路、电压电流保护电路、功率驱动电路，所述功率驱动电路还与步进电机连接。此种驱动装置采用高性能数字信号控制器驱动，可显著改善电机低速噪声大、高速易失步的缺点。
文档编号H02P8/22GK202168029SQ201120283648
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月5日 优先权日2011年8月5日
发明者李军科 申请人:李军科