摘 要：文中依據(jù)正弦電流量細分化驅(qū)動器的基本原理，設(shè)計方案出三相混合式步進電機細分器驅(qū)動控制器，系統(tǒng)軟件選用電流量追蹤和脈寬調(diào)制技術(shù)性，使三相混合式步進電機的相電流為位置相距120°的正弦波形，輸出功率光耦電路選用六只MOS管。該控制器處理了傳統(tǒng)式三相混合式步進電機低速檔震動大、有共震區(qū)、噪聲大等缺陷，提升了步距角像素和控制器的可信性。

 關(guān)鍵字：三相混合式步進電機；細分化驅(qū)動器；SVPWM

 1 序言

三相混合式步進電機是這種開環(huán)步進電機內(nèi)分泌系統(tǒng)實行元器件，以單脈沖方法開展操縱，輸出角位移。與直流步進電機及直流步進電機對比，其突顯優(yōu)勢就是說質(zhì)優(yōu)價廉，而且無累積偏差。可是，步進電機運作存有很多存在的不足，如低頻振蕩、噪音大、像素不高等學(xué)校，又比較嚴重牽制了步進電機的運用范疇。步進電機的運作特性與它的控制器有緊密的聯(lián)絡(luò)，能夠根據(jù)驅(qū)動器技術(shù)性的改善來擺脫步進電機的缺陷。相對性于別的的驅(qū)動器方法，細分化驅(qū)動器方法不但能夠減少步進電機的步距角，提升像素，并且能夠降低或清除高頻震動，使電動機運作更為穩(wěn)定勻稱?？偟膩碚f，細分化驅(qū)動器的操縱實際效果最（zui）好是。由于常見中低端步進電機步進控制系統(tǒng)沒有步進電機意見反饋，因此隨之電動機速率的上升其內(nèi)控制度電流量相對減少，進而導(dǎo)致丟步狀況。因此在速率和精密度規(guī)定太低的行業(yè)，其運用十分普遍。

 由于三相混合式步進電機比二相混合式步進電機有更強的低速檔單位根檢驗及輸出扭矩，因此三相混合式步進電機比二相混合式步進電機有更強運用市場前景。傳統(tǒng)式的三相混合式步進電機控制方式全是以硬件配置比較器進行，文中關(guān)鍵敘述應(yīng)用DSP及室內(nèi)空間矢量素材優(yōu)化算法SVPWM來保持三相混合式步進電機控制。

 2 細分化基本原理

三相混合式步進電機的細分化操縱從實質(zhì)上講是根據(jù)對步進電機的電機定子繞阻中電流量的操縱，使步進電機內(nèi)部的生成電磁場按某類規(guī)定轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分化。最（zui）好的細分化方法是恒轉(zhuǎn)距等步距角的細分化。通常狀況下，生成電磁場矢量素材的幅度值決策了電動機轉(zhuǎn)動扭矩的尺寸，鄰近兩生成電磁場矢量素材的中間的交角尺寸決策了步距角的尺寸。在電動機內(nèi)造成貼近勻稱的環(huán)形旋轉(zhuǎn)磁場，各相繞阻的生成電磁場矢量素材，即各相繞阻電流量的生成矢量素材應(yīng)在室內(nèi)空間作幅度值穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動健身運動，這就必須在各相繞看中通以正弦電流量。

 三相混合式步進電機的原理非常類似溝通交流永磁同歩交流步進電機。其電機轉(zhuǎn)子上常用永磁磁石一樣是具備高磁密特點的永磁材料原材料，因此在電機轉(zhuǎn)子上造成的感應(yīng)電流對電機轉(zhuǎn)子電磁場的危害可忽略。結(jié)構(gòu)類型，它等于這種多極多數(shù)的溝通交流永磁同步電機。因為鍵入是三相電正弦電流量，因而造成的室內(nèi)空間電磁場正圓形遍布，并且能夠用永磁式同步電機的構(gòu)造實體模型(圖1)剖析三相混合式步進電機的轉(zhuǎn)距特點。

 為有利于剖析，可做以下假定：

 a.電機定子三相電繞阻徹底對稱性；

 b.磁飽和狀態(tài)、渦旋及鐵芯耗損忽略；

 c.勵磁電流電流量無動態(tài)性沒有響應(yīng)全過程。

 圖1 三相混合式步進電機的簡易構(gòu)造實體模型

 U、V、W 為電機定子上的3 個電磁線圈繞阻，3 個電磁線圈繞阻的中（zhong）心線成 120°。電動機單相電繞阻插電的那時候，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)距能夠表述為：T=f(i,theta) 。在其中，i 為繞阻中根據(jù)的電流量；theta為發(fā)電機轉(zhuǎn)子偏移機床坐標系的視角。因為磁飽和狀態(tài)效用能夠忽略，而且電機轉(zhuǎn)子構(gòu)造是環(huán)形，其矩角特點為嚴苛的正弦。

 即：T=k *I*sin（theta），k 為轉(zhuǎn)距常數(shù)

 若理想化的電流源以恒幅度值為I 的三相電均衡電流量iU、iV、iW 供求平衡電動機繞阻，

 即：

 iU=I*sin(wt)

 iV=I*sin(wt+2*PI/3)

 iW=I*sin(wt+4*PI/3)

 則三相混合式步進電機各相電流造成的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)距為：

 TU=k*I*sin(wt)*sin(theta)

 TV=k*I*sin(wt+2*PI/3)*sin(theta+2*PI/3)

 TW=k*I*sin(wt+4*PI/3)*sin(theta+4*PI/3)

 穩(wěn)態(tài)運作時，theta=wt，則三相電繞阻造成的生成轉(zhuǎn)距為：

 T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin(PI/2-wt+theta)=3/2*k*I

 左右分析表明，針對三相混合式步進電機，當(dāng)三相電繞阻鍵入相距 120°的正弦電流量時，因為在內(nèi)部造成環(huán)形旋轉(zhuǎn)磁場，電動機的輸出轉(zhuǎn)距為恒值。因而，將溝通交流步進電機操縱基本原理運用到三相混合式步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)軟件中，鍵入的220V 溝通交流，經(jīng)整流器后轉(zhuǎn)為直流電，再經(jīng)脈寬調(diào)制技術(shù)性轉(zhuǎn)為上中下路階梯性正弦波形電流量，他們按固定不動時序各自穿過上中下路繞阻，其每一臺階相匹配電動機旋轉(zhuǎn)一歩。根據(jù)更改控制器輸出正弦電流量的頻率來更改電機額定功率，而輸出的臺階數(shù)明確了每一個掉轉(zhuǎn)的視角，當(dāng)視角越小的那時候，那麼其臺階數(shù)越多多，即細分化越多大，從基礎(chǔ)理論上說此視角能夠設(shè)得充足的小，因此細成績能夠是挺大，而溝通交流步進電機操縱的每一個視角與意見反饋的步進電機的精密度有挺大的關(guān)聯(lián)，通常應(yīng)用的為2500線，因此每步掉轉(zhuǎn)的視角僅為0.144度，而此方式操縱的步進電機，例如其細成績?yōu)?0000，則每步掉轉(zhuǎn)的視角為0.036度，因此比通常的步進電機線性度高許多?；蛟S，步進電機旋轉(zhuǎn)時，電動機各相繞阻的電感器將產(chǎn)生1個反方向電動勢，頻率越高，反方向電動勢越大。在它的功效下，電動機隨頻率(或速率)的擴大而相電流減少，可能會導(dǎo)致扭矩降低，根據(jù)恒流方法能夠使在電動機高頻和高頻率時維持一樣的相電流進而使高頻率的扭矩特點明顯改善，這只有是在低速檔時，因此其綜合型能（高低速檔噪音，髙速扭矩，髙速單位根檢驗等）沒辦法迎頭趕上溝通交流工業(yè)機械手。

 圖2 得出相距120°的三相電階梯性正弦電流量

三相混合式步進電機通常把三相電繞阻組合成星型或是三邊形，依照電源電路基礎(chǔ)定律，三相電流相加為零。即IU+IV+IW =0 。因此一般只需造成兩相繞阻的給出數(shù)據(jù)信號，最（zui）后相繞阻的給出數(shù)據(jù)信號可由其他兩相求取。一樣，只必須對相對兩相繞阻的具體電流量開展取樣，最（zui）后相繞阻的具體電流量可依據(jù)式求取。

 3 三相混合式步進電機控制器的系統(tǒng)軟件組成

 控制器的整體方案如圖所示3 圖示，包括單片機設(shè)計電源電路、電流量跟蹤型SPWM 電源電路和輸出功率光耦電路構(gòu)成。

 圖3 控制器的總體框圖

 3.1 DSP控制模塊設(shè)計方案

 這里，人們挑選了TI企業(yè)的DSP做為CPU集成ic，DSP（Digital Signal Processor）事實上都是這種單片機設(shè)計，它一樣是將中（zhong）央政府處理單元、控操縱模塊和外部設(shè)備集成化到一塊兒集成ic上。但它又有本身獨特的特性——由于選用了多個系統(tǒng)總線技術(shù)性保持并行處理運作的機體制，進而進一步提高了與運算速率，具備更強的與運算工作能力和更強的實用性。文中采用的DSP（TMS320LF2407A）是一個電機控制專用型集成ic，144腳位，具備豐富多彩的IO資源，帶有4個通用性計時器，具備兩路口專用型于操縱三相電機的PWM超聲波發(fā)生器（可造成六路PWM數(shù)據(jù)信號），另一個也有專用型接受外界單脈沖和方位的I/O口，進而簡單化了電路原理和軟件開發(fā)。

 DSP鍵入數(shù)據(jù)信號包含步進電機差分信號CP、方位操縱數(shù)據(jù)信號、離線數(shù)據(jù)信號， 過電流保護數(shù)據(jù)信號。這幾類數(shù)據(jù)信號均根據(jù)高速光耦聯(lián)接到DSP的腳位上，另一個也有細分化計步及電流量挑選數(shù)據(jù)信號。當(dāng)離線數(shù)據(jù)信號為合理時，控制器輸出到電動機的電流量被斷開，發(fā)電機轉(zhuǎn)子處在隨意情況（脫機狀態(tài)）。意見反饋電流量根據(jù)DSP內(nèi)置的的10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）取樣，意見反饋的電流量根據(jù)必須的優(yōu)化算法后，由DSP內(nèi)置的PWM口輸出操縱三相混合式步進電機。

 3.2 電流量跟蹤型控制回路

 這類傳輸方式以仿真模擬工作電壓的幅度值意味著取樣電流量或是工作電壓的尺寸，其關(guān)鍵用于取樣a，b兩相電流及母相電壓檢驗，保持電動機電流量操縱及其過電壓、欠壓、過電流保護?？刂破鞲鶕?jù)采樣電阻檢驗步進電機繞阻的具體電流量，與設(shè)置電流量相較為后歷經(jīng)滯環(huán)比較器控制器，控制器輸出數(shù)據(jù)信號由20KHz 頻率的三角波載波輸出，產(chǎn)生脈寬調(diào)制數(shù)據(jù)信號(PWM)，根據(jù)輸出功率驅(qū)動器接口電路來操縱功率集成電路工藝的通斷與關(guān)閉，使三相混合式步進電機的繞阻具體電流量追蹤給出參照數(shù)據(jù)信號，按給出的正弦規(guī)律性轉(zhuǎn)變。

 3.3 輸出功率光耦電路

 控制器的主控制回路選用交-直-交工作電壓型逆變電源方式，由整流器濾波電路、三相電逆變電源及其步進電機等構(gòu)成。整流器濾波電路組成交流電壓源，進行220V、50Hz 交流電到直流穩(wěn)壓電源的轉(zhuǎn)換。逆變電源保持從交流電到直流變頻變壓交流電流的變換，為三相混合式步進電機的電機定子繞阻出示規(guī)定的交流電壓。逆變電源由仙童公司生產(chǎn)制造的六只G30N60B3DMOS管構(gòu)成，組成三相電逆變電源橋?？刂破鬟x用二只電阻檢測步進電機相電流的瞬時值。

 輸出功率光耦電路的關(guān)鍵是輸出功率控制模塊(MOS管)。MOS管 與電流量跟蹤型PWM 輸出中間務(wù)必根據(jù)專用型高速光耦聯(lián)接。依據(jù)MOS管的過流值和電動機谷值線電流量來采用適合的MOS管，即三相混合式步進電機的線電流量的谷值低于MOS管的較大電流。本設(shè)計方案中電動機較大相電流為8.1A，該電流量是相電流的有效值，谷值相電流為8.1* sqrt(2) = 11.312A 。除此之外，三相混合式步進電機繞阻在三角形接法時，線電流量是相電流的3 倍，因此線電流量谷值為19.6A。由G30N60B3DPDF文本文檔知，其最（zui）大流數(shù)值30A,故能夠確保一切正常應(yīng)用，一切正常工作標準適度的熱管散熱設(shè)計方案確保內(nèi)部結(jié)溫終究低于150攝氏，因而要另加熱管散熱器并強制性風(fēng)冷式，以確保MOS管一切正常工作中。

 3.4并口通信：

 為了防止在操縱全過程中停電了或是其他非常緣故掉電時導(dǎo)致?lián)p害，應(yīng)用感應(yīng)起電RAM儲存電動機部位，確保撥電話后鋼件可再次進行生產(chǎn)加工。并口RAM比傳統(tǒng)式應(yīng)用的E2ROM速率傳送迅速更靠譜，可更合理的紀錄電動機運作情況，但占有CPU的I/O口較多，這兒CPU有充足的資源能夠應(yīng)用。

 3.5 監(jiān)控軟件步驟

 主程序流程圖

 中斷一部分的流程圖

 為降低功率和維護電機，設(shè)定了全自動半流作用，它由滯環(huán)比較器全自動開展調(diào)整。

 4 三相混合式步進電機控制器介紹

 3HB0822M是一個以精準正弦波形電流量輸出操縱三相混合式步進電機的控制器，驅(qū)動器工作電壓范疇110V-220V均可，合適直徑為110、130、150系列產(chǎn)品、驅(qū)動電流在10A下列的全部三相混合式步進電機，具備停電了位置記憶力作用，三相混合式步進電機控制器控制面板上的8位撥動開關(guān)能夠輕輕松松的保持對不一樣步進電機電流量及不一樣細分化計步的精準操縱（獨特的電流量和細分化設(shè)定，可按客戶規(guī)定訂制），鍵入數(shù)據(jù)信號都歷經(jīng)光學(xué)防護，具備較強的抗干擾性，能融入極端自然環(huán)境工作中。此外，這款三相混合式步進電機控制器驅(qū)動器的步進電機能在很寬的頻率范圍之內(nèi)維持步進電機較大輸出轉(zhuǎn)距不會改變，運作穩(wěn)定，噪聲極低，特別適合大扭距且髙速工作中的場所。

 5 三相混合式步進電機控制器腳位布線圖

 6 三相混合式步進電機控制器的單/雙單脈沖、相電流、細成績設(shè)置：

 警示：撥動開關(guān)調(diào)在“ON”部位時為“1”； 要求可依據(jù)客戶訂制。

 三相混合式步進電機控制器的單/雙單脈沖方式設(shè)置：

 三相混合式步進電機控制器相電流設(shè)置：

 三相混合式步進電機控制器細分化拍數(shù)設(shè)置：

 步進電機控制器細分化設(shè)置后步進電機每運作整圈需要的脈沖數(shù)相當(dāng)于電動機自身 的齒數(shù)乘于細分化拍數(shù)。（注：通常電動機均為50個齒）

 比如：步進電機自身 齒數(shù)為50，細成績設(shè)置為12，則這時步進電機運作整圈的脈沖數(shù)為：50*12=600個，步距夾角：360°/600=0.6°

 比如：步進電機自身 齒數(shù)為50，細成績設(shè)置為40，則這時步進電機運作整圈的脈沖數(shù)為：50*40=2000個，步距夾角：360°/2000=0.18°

 7 三相混合式步進電機控制器硬件配置聯(lián)接 

 8 結(jié)論

 實踐經(jīng)驗文中所說的驅(qū)動器方式 其適應(yīng)能力很強，大部分能夠融入全部的三相混合式步進電機。非常對三相電繞阻星形接法，高頻時運作穩(wěn)定，無震蕩，合理地抑止了震蕩、噪音。另一個，控制器內(nèi)部設(shè)計方案多種多樣維護電源電路，使全部控制器的可信性進一步提高。