兩相混合式步進電動機動態多細分驅動器設計

楊 斐，劉景林，董亮輝

(西北工業大學，陜西西安710072)

0 引 言

本文設計的兩相混合式步進電動機驅動器用于一種高精度、快響應對日定向伺服系統，該伺服系統結構組成如圖1所示。驅動器根據位置誤差傳感信號分別驅動系統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 伺服系統結構組成圖

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

1 動態多細分驅動技術原理

1.1 細分驅動原理

步進電動機的細分控制從本質上講是對步進電動機勵磁繞組的電流進行控制，使得步進電動機內部合成磁場為均勻的、離散化的圓形旋轉磁場，實現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 動態多細分調節控制

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

為了解決上述問題，本文提出了動態多細分控制策略:當位置誤差較大時，步進電動機工作在整步狀態以提高系統的響應速度。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至最大細分數128，以滿足跟蹤系統高精度要求。步進電動機的細分狀態、驅動脈沖頻率和轉速隨位置誤差變化的關系如圖2所示。

圖2 動態多細分調節示意圖

1.3 自適應細分控制原理

細分驅動時，步進電動機的轉速n和細分數S滿足以下關系:

式中:ZR為轉子齒數，由電機結構決定;N為電機運行拍數，細分驅動時N為定值。在細分狀態動態切換的過程中，細分數S成倍變化，若驅動脈沖信號頻率保持不變，步進電動機的轉速將發生突變，造成步進電動機失步，影響伺服系統的穩定性。為了解決上述問題，本文采用自適應細分技術，在細分切換時相應地改變步進電動機驅動脈沖信號的頻率f:細分數變為原來的K或1/K時，用于驅動步進電動機的脈沖頻率f應相應地改變為原來的K或1/K［2］。具體來講，當細分狀態由整步變為半步時，歩距角減少了一半，故步進電動機相應的驅動脈沖應變為原來的2倍，使得細分數變化時電機轉速保持恒定。

2 系統的硬件實現

本文設計的兩相混合式步進電動機動態多細分調節驅動系統的硬件組成如圖3所示，包括控制信號輸入單元、控制器單元、電源轉換單元以及功率驅動單元。具有多種細分數選擇，輸出電流可調，自適應定細分選擇等功能。

圖3 步進電動機驅動系統結構框圖

輸入單元輸入的控制信號有復位、起停、正反轉、誤差信號(用輸入脈沖信號的頻率表示誤差的大小)等。控制器單元以Altera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，構成控制器的最小系統。電源轉換單元將輸入的28 V直流電壓分別轉換成CPLD所需要的3.3 V電壓和D/A轉換器所需要的5 V電壓。

功率驅動單元包含一個雙通道D/A轉換器和一個雙通道恒流驅動芯片。D/A轉換器選用PBM3960芯片，分時完成兩路8位數字信號到模擬信號的轉換［3］。驅動單元以PBL3771芯片為核心，該芯片內部集成了時鐘振蕩器、比較器、觸發器以及兩個內部帶續流二極管的H橋，應用固定關斷時間的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 系統的軟件實現及時序仿真

3.1 CPLD軟件內部模塊框圖

本文應用VHDL硬件描述語言編寫了軟件程序。CPLD控制器首先根據當前系統誤差值解算出當前系統的細分數、驅動脈沖頻率和A、B兩相電流數據的地址值，然后通過正弦波查表的方法計算出兩相電流的數據值，最后在驅動脈沖的正半周期，發送相應的D/A控制信號分時進行A、B兩相的D/A轉換。本文采用模塊化設計方法將軟件內部分為3個模塊:自適應細分模塊、D/A轉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 軟件內部模塊框圖

3.2 自適應細分模塊

自適應細分模塊本質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)隸屬于不同數值范圍時，相應地改變步進電動機驅動系統的細分數choice和驅動脈沖信號cp_out的頻率，以實現自適應細分。

圖5為自適應細分模塊程序在QuartusⅡ9.0軟件運行環境中的時序仿真結果，系統前半部分運行在64細分狀態，后半部分選擇128細分。從圖5可知，當細分數由64變為128時，輸出脈沖信號cp_out的頻率由原先輸入脈沖信號cp_in頻率的一半變為與輸入脈沖信號相同，實現了自適應細分。

圖5 自適應細分模塊時序仿真結果

3.3 正弦波查表模塊

該模塊根據當前的細分數和電機轉向設定值，計算出A、B兩相電流數據的地址值并應用查表法計算出該地址所對應的數據值。在本設計中，將0～π這1/2周期的正弦波的幅值離散化為256個數值 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。與此同時，在驅動脈沖的正半周期，該模塊根據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數模轉換芯片的D7～D0端口。

3.4 數模控制模塊

本文采用有限狀態機(Finite State Machine)的設計方法實現D/A轉換芯片的時序控制，該方法可實現有效、可靠的時序邏輯控制［5］。系統復位后進入空閑狀態idle;當輸出脈沖cp_out的上升沿到來時進入A相D/A轉換的第一個狀態a_ready，該狀態為DA轉換數據的準備階段;然后進入A相的第二個狀態a_wr，A相開始進行DA轉換，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，等待A相DA轉換完成。B相的時序與A相相同，D/A轉換狀態機轉化圖如圖6所示。

圖6 D/A轉換狀態機轉化圖

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

圖7 D/A時序控制仿真結果

4 實驗結果及分析

圖8給出了2細分、4細分、8細分和128細分狀態下A相繞組的電流波形。從實驗結果可知，A相繞組電流波形為正弦包絡的階梯波，且細分數越高，電流波形越接近正弦、電機轉矩波動越小、運行越平穩。

圖8 A相電流繞組電流實驗波形

5 結 語

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

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

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