专利名称：步进电机平滑驱动方法
技术领域：
本发明涉及混和式步进电机平滑驱动技术，尤其是对步进电机三相正弦
波PWM的产生和PWM波的死区控制方式的改进。
背景技术：
步进电动机是一种将数字信号转换为位移(或直线位移)的机电执行元 件。每当输入一个脉冲时，步进电机转轴便转过一个固定的机械角度，在数 字控制系统中得到了广泛的应用。当步进电机要求更小的步进角和更高的分 辨率时，可通过改变定子绕组电流来实现。绕组电流给定采用经量化处理后 的正弦波并分段切入，将绕组电流给定与反馈进行比较，并根据比较结果决 定该相绕组的通断，最终得到正弦化的定子绕组电流，这时则要求产生相位
差是严格的2冗，大小一样的三相正弦波电流信号，从而才能产生完全相同的 3
三相PWM信号。
目前，在三相桥式电路中为避免同一桥臂上下开关的直通必须设置足够 的死区时间(死区就是使同相的上下桥臂驱动信号错开一个死区时间，防止 功率器件短路)，而实际应用中对死区的要求很严格。当死区时间过短时，同 相的上下桥臂驱动信号不能完全的错开，功率器件容易短路，从而会损害功 率模块；当死区时间过长的时候，步进电机上下桥臂就会长时间没有电流通 过，这样会使电机驱动能力降低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的任务是提出一种步进电机平滑驱动方法，以提高步进电机的三相PWM信号的准确性，提高电机运行的平稳性能。
为完成上述任务，本发明提供了一种步进电机平滑驱动方法，先用单片
机和D/A转换器产生两路相位差是^;r的正弦波电流，第三路信号由前面两路
合成产生，最终产生出三相幅值相等，相位差是#冗，完全一样的正弦波电流。
用单片机和D/A转换器产生两路相位差是l;r ，幅值相等的正弦波电流信
号VOA和VOB，先将正弦波信号VOA、 VOB和功率驱动模块(PS21564)
反馈正弦波信号VOC、 VOD进行对应差分，生成的差分信号再分别经过抽样
模块由基准三角波抽样，抽样后的信号再分别经过反向器整形就得到PWM1、
PWM3信号；将VOA 、 VOB和VOC、 VOD共用加法器U-2经过加法运算，
VOA 、 VOB相加后生成和VOA、 VOB相位顺次相差2;r的正弦信号，如公
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式(1)所示的-sin("-4乂)，同时VOC和VOD也进行和VOA、 VOB相同 的运算，合成反馈的第三相信号，然后-^("-4乂)和反馈的第三相信号进行 差分，通过反向器U-5反向，再经过基准三角波抽样电路U-8和电流整形调 节模块U-10后得到所需要的PWM2信号。
各PWM信号在CPLD里面进行死区控制，在CPLD里面对输入的PWM 波形进行处理，把u—in转换成u—down和u_up两相，其中u—down的上升沿 和u—in的一样，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延迟几个微秒；u—down的 下降沿要比u—in的下降沿延时几个微秒，u—up的上升沿要和u—in的下降沿一 致； v in、 w in的处理方式同u in。
与已有技术相比，本发明方法的有益效果表现在
1、本改进技术方法可以使混和式步进电机运行的平稳性能得到很大的提 高。而已有的技术中，为了得到三相信号完全一样的PWM波，相对要求严格的三相正弦波的产生大都是用信号发生器产生三路信号，这样子很难保证他 们的相位差是严格的l;r，而且本改进方法电路设计简单，成本较低。
2、对驱动模块的死区控制进行改进，死区的精度控制有很大的提高，死 区的时间更好的控制，对于不同的驱动模块，可以根据实际需要设定死区的 时间，使该驱动器具有更好的通用性。
图l为控制系统结构框图2为三相PWM波产生电路图3为CPLD的波形仿真图。
具体实施例方式
本发明解决技术问题所采用的措施
参见图1，在系统的结框图中，针对本改进方法主要介绍的是
ATTINY2313、 D/A转换器、信号合成电路和逻辑合成单元。 对图l说明
脉冲信号(CP+/CP-):每个脉冲上升沿使电机转动一步，最小脉冲22.5^，
最高接受频率200KHz。
方向信号(CW+/CW-):单脉冲控制方式时为方向控制信号输入接口， cw
为低电平时电机顺时针旋转，CW为高电平时电机逆时针旋转。双脉冲控制方 式时为反转步进脉冲信号输入口。
细分功能选择(FINE):当FINE为高电平时，细分功能有效，当FINE为 高低平时，细分功能无效。
脱机信号输入(FREE+/FREE-):脱机+与脱机-之间分别加高低电平，电机无相电流，电机绕子处于不稳定的自由状态；反之脱机+与脱机-之间分别加 相同电平或不接，电机处于锁定状态。
报警信号输出(ERR):报警信号输出接口。
光电耦合对从RS232来的信号进行滤波，整形。
ATTINY2313: AVR单片机，和D/A转换器一起把脉冲信号变成正弦波 信号。
基准三角波发生器产生基准的三角波，用来合成PWM波。
10MHz晶振10MHz有源晶振，为单片机和CPLD提供时钟频率。
XC9572CPLD:死区控制单元，控制电机三相电流的导通和截至时间。
整流器和开关电源通称为电源模块，产生电机、功率驱动器的电压值。
功率驱动电路以PS21564为核心的模块，驱动电机旋转。
信号合成电路把D/A生成的正弦信号、电流反馈信号和基准三角波信
号合成电机运行需要的PWM信号。
本改进技术的特点在于产生三相幅值相等，相位差是^;r的正弦波电流
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时，我们只用单片机和D/A转换器产生两路相位差是且;r的正弦波电流，第三
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路信号由前面两路产生，产生的电路如图2。只生成两路信号，对单片机的性 能要求会低一些，同时保证相位差是|"，这样才能生成三相完全一样的PWM波形。
本改进技术的特点也在于在三相桥式电路中为避免同一桥臂上下开关的 直通必须设置足够的死区时间，系统是在CPLD里面进行死区控制。采用 CPLD的控制方式后，死区的精度有很大的提高，死区的时间更好的控制，对 于不同的驱动模块，可以自由的设定死区的时间，使该驱动器具有更好的通用性。而且CPLD的价格比较便宜，对比以前的用模拟电路来进行死区控制 而言，降低了成本。
参见图2，当单片机和D/A转换器产生两路相位差是^;r，幅值相等的正
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弦波电流信号(VOA和VOB)时，在U-1中正弦波信号VOA和功率驱动模块 (PS21564)反馈正弦波信号VOC进行差分，生成的差分信号经过抽样模块 U-4，在U-4中由10.2K的基准三角波抽样，抽样后的信号再经过反向器U-7 的整形就得到PWM1信号。同理，正弦波信号VOB和功率驱动模块(PS21564) 反馈的正弦波信号VOD在U-3， U-6， U-9中进行同样的运算，生成PWM3 信号。
下面着重介绍PWM2信号的生成，首先看下面的公式(1)禾n (2):
sin(a) + sin(" —= 2sin
=2sin("-义^os(么)二 sin("-么)=—sinl
a + a
.2;r/
cos
"—"+
2;zv
(i)
即
sin "
.化/
sin(a) + sin(" —
假设VOA是sin(cO， VOB是sin("-l;r)，则我们想得到的是sin("+)信
号，由上面的两个公式可知，用一个加法器U-2和一个反向器U-5就可以得 到。同时，假如反馈信号VOC是sin(/ )， VOD是sin(/ 」;r)，他们的第三相信 号sin(/ -l^r)也可以由上面的式子得到，这样我们就让他们同时共用加法器 U-2和反向器U-5，同时各自生成的第三相信号进行差分，得到差分信号，再 经过基准三角波抽样电路U-8和电流整形调节模块U-10后得到所需要的 PWM2信号。这样做的好处是能够生成驱动模块所需的PWM信号，使电机 运行的平稳性能有了很大的提高。用简单的电路来实现PWM信号，可以提高
(2)信号生成的速度，实时性好。
本改进技术的特点也在于在三相桥式电路中为避免同一桥臂上下开关的 直通必须设置足够的死区时间，改进的系统死区控制是在CPLD内完成。参
见图3，在CPLD里面对输入的PWM波形进行处理，对u—in、 v—in、 w—in做 同样的处理，把u—in转换成u—down和u—up两相，其中u—down的上升沿和 u—in的一样，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延迟几个微秒；u—down的下 降沿要比u—in的下降沿延时几个微秒，u—up的上升沿要和u一in的下降沿一致。 采用这样的方式控制后，精度有很大的提高，死区的时间更好的控制，对于 不同的驱动模块，可以自由的设定死区的时间，使该驱动器具有更好的通用 性，而且CPLD的价格比较便宜，对比以前的用模拟电路来进行死区控制而 言，降低了成本。
权利要求
1、一种步进电机平滑驱动方法，其特征在于，先用单片机和D/A转换器产生两路相位差是 id="icf0001" file="A2008100498870002C1.tif" wi="6" he="9" top= "38" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的正弦波电流，第三路信号由前面两路合成产生，最终产生出三相幅值相等，相位差是 id="icf0002" file="A2008100498870002C2.tif" wi="8" he="9" top= "49" left = "93" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>完全一样的正弦波电流。
2、 根据权利要求1所述的步进电机平滑驱动方法，其特征在于，用单片机和D/A转换器产生两路相位差是2;r ，幅值相等的正弦波电流信号VOA和3VOB，先将正弦波信号VOA、 VOB和功率驱动模块(PS21564)反馈正弦波信号VOC、 VOD进行对应差分，生成的差分信号再分别经过抽样模块由基准三角波抽样，抽样后的信号再分别经过反向器整形就得到PWM1、 PWM3信号；将VOA 、 VOB和VOC、 VOD共用加法器U-2经过加法运算，VOA 、VOB相加后生成和VOA、 VOB相位顺次相差^;r的正弦信号，即<formula>formula see original document page 2</formula>同时VOC和VOD也进行和VOA、 VOB相同的运算，合成 反馈的第三相信号，然后<formula>formula see original document page 2</formula>和反馈的第三相信号进行差分，通过反 向器U-5反向，再经过基准三角波抽样电路U-8和电流整形调节模块U-10后 得到所需要的PWM2信号。
3、 根据权利要求1或2所述的步进电机平滑驱动方法，其特征在于，各 PWM信号在CPLD里面进行死区控制，在CPLD里面对输入的PWM波形进 行处理，把u—in转换成u一down和u一up两相，其中u一down的上升沿和u—in 的一样，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延迟几个微秒；u—down的下降沿 要比u一in的下條沿延时几个微秒，u一up的上升沿要和u—in的下降沿一致；v in、 w in的处理方式同u in。
全文摘要
本发明涉及一种混和式步进电机平滑驱动技术，先用单片机和D/A转换器产生两路相位差是2/3π的正弦波电流，第三路信号由前面两路合成产生，最终产生出三相幅值相等，相位差是2/3π，完全一样的正弦波电流。本改进技术方法可以使混和式步进电机运行的平稳性能得到很大的提高。而已有的技术中，为了得到三相信号完全一样的PWM波，相对要求严格的三相正弦波的产生大都是用信号发生器产生三路信号，这样子很难保证他们的相位差是严格的2/3π，而且本改进方法电路设计简单，成本较低。
文档编号H02P8/22GK101594109SQ20081004988
公开日2009年12月2日 申请日期2008年5月28日 优先权日2008年5月28日
发明者张前进, 徐素莉 申请人:河南科技大学