三相實時自動細分步進驅動器的製作方法

2023-11-09 14:49:32 3

專利名稱：三相實時自動細分步進驅動器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及步進電機驅動器，具體指三相步進細分驅動器。屬步進電 機驅動控制系統的技術領域。
背景技術：
步進電機與步進驅動器一起構成了步進控制系統，由於控制簡單方便，成 本低，可靠性高，已經在各個行業得到廣泛應用。但由於步進控制系統的運行 是由一個一個的，分散獨立的單步(單一角度跳越方式)拼接完成的，其運行 過程中的單步執行帶來的振蕩直接導致了震動噪音的產生，為了滿足現代工業 自動化技術領域提出的降低震動、減小噪音和提高精度的需求，細分控制技術 得到了普及應用。傳統的細分控制是預先將電機的標準步距進行等角度分割後， 進行矢量分解，計算得到各個位置的相電流矢量數據存儲於驅動器中，實際工 作時按照上位控制指令的要求，查出指令位置對應的相電流數據，配合驅動器
的控制電路(多為PWM控制)實現電流的精確控制，從而在電機軸上還原出設 定好的分割角度定位要求。細分數越高，單位步距當量就越小，電機運行就越 均勻，從而實現驅動控制系統改善平穩性、提高定位精度、降低噪音的目的。 但是，傳統細分控制方式存在很大的局限性，使用高細分就相應的對控制系統 的指令頻率輸出能力提出了更高的要求，很多的控制系統 不具備這樣的高頻 控制能力，用戶或者要更換高檔的控制系統，或是只能選擇較低的細分控制方 式，因而對許多行業強烈要求改善震動、噪音等指標的問題，不能獲得滿意的 效果。發明內容
本實用新型的目的是提供一種三相實時自動細分步進驅動器。利用驅動器 內置的數位訊號處理器(DSP)的強大運算處理能力，對控制系統的指令進行實 時自動運算分解，將控制系統的一個指令按照步進電機允許的最小執行當量實 時自動的進行解析，並按照相應的規則時間上順序執行，從而達到最優的運行 性能。因為這一控制方案完全由步進驅動器內置的運算單元承擔，不會增加任 何的上位機開銷。新的控制方式採用實時運算替代了傳統查表式的細分模式， 從而可以自動根據步進電機的運行狀況靈活採取不同的控制策略，達成最優的 運行效果，實現提供一種三相實時自動細分，同時又改善震動、噪音的步進驅 動器。由於減小了諧波的含量，降低了電機的鐵損，有利於降低電機的溫升損 耗，提高步進電機的工作效率，實現提高節約電力能源的目標。廣泛應用於工 業自動化、醫療、國防建設等領域。
本實用新型是這樣實現的，其技術方案是在三相實時自動細分步進驅動器 中，採用按編制相關軟體執行的數位訊號處理器DSP為核心，依次連接由雙通 道數模轉換器構成的電流指令發生器、PI運算調節器、由三角波發生器和比較 器組成的PWM調製器、橋臂驅動電路、電流設定電路、三相功率逆變橋、電流 檢測調理電路，由數位訊號處理器DSP接收上位控制發出的脈衝指令、方向指 令和脫機指令，其特徵是根據預設的方案生成兩相電流數據指令，經雙通道數 模轉換器結合電流設定電路輸出產生三相模擬電流給定指令，通過電流檢測調 理電路檢測電機繞組中的實際電流，調理後得到電機三相電流的反饋模擬值， 對給定信號和反饋信號通過模擬PI運算調節器進行電流的閉環調節控制，最終 產生PWM信號和六路驅動信號，控制三相功率逆變橋，實現電機的控制運行。以具備高精度，高運算速度的DSP為內核，快速的內核運算速度可以及時 的對控制信號進行響應，並在指令間歇期進行多次的迭代運算，確保輸出結果 的細膩。高運算精度可以保證運算結果的誤差較小，提高準確率。本案採用16 位DSP，運算速度達到30MPS以上。通過對DSP軟體的優化設計及三相實時 自動細分步進驅動器的電路連接方式， 一方面可以提供最大程度的可用性，提 供了16種細分選項，涵蓋了幾乎所有自動化領域常用的兩相、三相、五相步進 電機的步距選擇，提供了所有常用工作模式，包括單脈衝、雙脈衝、斷電記憶、 自動半流等工作模式；另一方面可以通過編制的軟體處理提煉指令信息，達到 智能化實時細分的控制，使指令電流儘可能的趨近正弦波，達到最大限度的降 低電機運行震動、噪音、溫升的目標。
採用本實用新型的優點和效果在於 傳統細分中一旦選擇了某種細分，無論運行速度如何會一直保持該細分控 制，細分數低時由於擬和正弦的數據點較少，步距不夠細膩，仍存在震動噪音 等問題，而高細分又需要控制系統配合很高的控制信號頻率和處理速度，難以 實現高速運行。而實時自動細分通過內置的智能軟體算法做到了在任何一種細 分選項下都實現最高細分的運行效果，使震動、噪音等運行指標得到最大的優 化，細分的選擇只代表了指令脈衝所對應的旋轉角度，而不會再有性能上的差 異，即使用戶選擇了最粗糙的非細分步(整步)方式，驅動器也可以按照最佳 的細分自主優化執行，在得到最佳運行效果的同時不增加任何額外的上位控制 系統開銷，從而可以和原控制系統進行無縫的對接。採用實時自動細分的步進 系統，在改善了電機運行的震動、噪音的同時，也由於更細緻的電流控制使其 和正弦波的擬和度更高，因此減 小了諧波的含量，降低了電機的鐵損，有利於降低電機的溫升損耗，提高步進電機的工作效率，實現提高節約電力能源的目 標。
以下結合附圖和實施例，對本實用新型進一步說明如下

圖l本發明的原理框圖
圖2數據信號處理器DSP的電路圖
圖3給定電流指令數模轉換(DA)轉換電路
圖4電流檢測調理電路
圖5 PI運算控制電路
圖6橋臂功率管驅動電路
圖7電流設定電路
圖8三相逆變橋
具體實施方式
在圖1中，其技術方案是在三相實時自動細分步進驅動器中，其特徵在於-由包括依次相聯的數位訊號處理器(DSP) 1、由雙通道數模轉換器構成的電流 指令發生器2、 PI運算調節器3、由三角波發生器和比較器組成的PWM調製器 4、橋臂驅動電路5、三相橋6、浮置電流採樣處理電路7共計七部分構成完整 的步進驅動器。由DSP接收上位控制發出的脈衝指令、方向指令和脫機指令。
每個部分的功能如下
數位訊號處理器(DSP) 1，是本三相實時自動細分步進驅動器的控制中心，負責完成接收控制指令，按照編制好的程序進行運算控制。
由雙通道數模轉換器構成的電流指令發生器2,負責將上述數位訊號處理器 輸出的兩路數字電流給定指令轉化為控制需要的模擬指令REF-U、 REF-V,並 通過採用模擬運算器生成第三路指令REF-W。
浮置電流採樣處理電路7，直接串聯入兩相電機繞組中，經後置處理校正後 得到兩相SEN-U、 SEN-V，並運算得出第三相電流的實際值SEN-W。
閉環電流PI運算調節器3，接收上述電流指令發生器2和浮置電流採樣處 理電路7的輸出，進行比例積分運算調節後生成誤差調節修正值，送至比較器， 經由三角波發生器和比較器組成的PWM調製器4，調製後生成三相的驅動信號， 送至橋臂驅動電路5。
橋臂驅動電路5，接收上述4的輸出，整理成橋臂功率管需要的柵極信號， 用以控制功率管開關。結合三相橋6逆變，實現功率的變換，將直流母線電壓 轉化為三相步進電機工作需要的電流。
下面，通過圖2的數據信號處理器DSP的電路圖以及下面的圖3至圖8， 對本實用新型的技術方案作詳細說明
在圖2的技術方案是在三相實時自動細分步進驅動器中，其特徵在於由 數位訊號處理器DSP接收上位控制發出的脈衝指令、方向指令和脫機指令，根 據預設的方案生成兩相電流數據，送至雙通道數模轉換器。
在圖2控制內核DSP晶片電路中，在第15腳(IC1)接收上位控制系統傳 來的脈衝控制指令CLK、第14腳(IC2/RD1)接收方向控制指令DIR， 12腳(RC14) 接收脫機指令FREE。從第2腳(RB0/AN0)送出D6、第3腳(RB1/AN1)送 出D7、第21 26腳分別送出D5 D0 (PWM3H/E5~ PWM1L/E0)，合併送出8位寬的電流指令數據D0 D7。由第11腳(RCn)輸出通道選擇信號DAB， DAB 的高和低兩種狀態分別指示出當前D0 D7輸出的電流數據所代表的兩相電流中 某一相的值。由第4腳(RB2/AN2)輸出寫信號WR，其低電平時控制下一級的 雙通道數模轉換器，接收D0 D7的數據，並且按照選擇信號DAB的通道選擇 進行轉換，將數據寫入到下一級的數模轉換器。
在圖3的技術方案是在三相實時自動細分步進驅動器中，其特徵在於 採用並行數模轉換晶片Ul將由DSP發來的電流指令數據轉換為模擬指令，以 數模轉換晶片Ul的7 14腳接收總線數據D7 D0，數模轉換晶片Ul輸出的 兩通道模擬指令OUT-A和OUT-B，連接到運放電路U3A U3D處理後，通過 運放電路U4D輸出第三路電流指令REF-W。
在圖3給定電流指令數模轉換電路中，並行數模轉換晶片Ul將由DSP發來 的電流指令數據轉換為模擬指令，以數模轉換晶片U1的7 14腳接收總線數據 D7 D0，兩通道模擬指令OUT-A、 OUT-B分別從2腳、20腳輸出，連接到運 放電路U3C的9腳、U3D的13腳，U3C的輸出從8腳通過電阻R11，連接U3B 的6腳，OUT-B從20腳輸出，連接到運放電路U3D的13腳，U3D的輸出14 通過電阻R13，連接U3A的2腳，分別經U3B和U3A處理後，兩路電流給定 模擬指令REF-U、 REF-V信號分別從運放電路U3B的7腳和U3A的1腳輸出， 兩路輸出再分別通過電阻R45和R46連接到運放電路U4D的13腳，電阻R43 跨接運放電路U4D的13和14腳後，從14腳輸出第二路電流指令REF-W。
在圖4的技術方案是在三相實時自動細分步進驅動器中，其特徵在於電 流檢測調理電路通過採用電流傳感晶片IC7, 1C6，產生與電機實時相電流準確 對應的檢測電壓SEN-U和SEN-V，將電流傳感晶片的l、 2腳短接，3、 4腳短 接後直接串連接入電機的U相和V相繞組中，從7腳得到的輸出，經運放電路U9A和U9B的整理後，從U9A的1腳輸出SEN-U，從U9B的7腳輸出SEN-V， 再通過電阻R29和R30接入運放電路U4C處理後，從運放電路U4C的8腳得 到第三相W相電流的檢測值SEN-W。
在圖4的電流檢測調理電路中，採用電流傳感晶片IC7， IC6分別直接串連 接入電機的PHU相和PHV相繞組，其中1， 2腳為一組接入點，3、 4腳為另一 組接出點，電流從一組接入點流入，從另一組接出點流出，與電流大小對應的 檢測電壓值分別從相對應的晶片IC7， IC6的7腳輸出，分別通過電阻R63、 R70 接入運放電路U9A、 U9B的2腳禾tl6腳，使用R75可調電阻修正參考零點，從 U9A的1腳可得到U相電流檢測值SEN-U，從U9B的7腳得到V相電流檢測 值SEN-V，再分別通過電阻R29， R30接入U4C的9腳處理後，從U4C的8 腳得到W相電流檢測值SEN-W。
在圖5和圖6中的技術方案是在三相實時自動細分步進驅動器中，其特徵 在於PI運算控制電路分別接收數模轉換電路的參考指令REF和電流採樣處理 後的反饋指令SEN, U相參考指令REF-U通過電阻R18接入運放電路U4B的 第6腳，U相的採樣反饋指令SEN-U通過電阻R33也接入運放電路U4B的第6 腳，運算結果從運放電路U4B的第7腳輸出，送到比較器U6C的第9腳；V相 參考指令REF-V通過電阻R32接入運放電路U4A的第2腳，V相的採樣反饋 SEN-V通過電阻R34也接入運放電路U4A的第2腳，運算結果從運放電路U4A 的第1腳輸出，送到比較器U6D的第11腳；W相參考指令REF-W通過R41 接入運放電路U5D的第13腳，W相的採樣反饋SEN-W通過電阻R39也接入 運放電路U5D的第13腳，運算結果從運放電路U5D的第14腳輸出，送到比較 器U6B的第7腳；三路輸出分別通過三個比較器U6C, U6B， U6D和三角波信 號PWM8 、 PWM6比較，分別生成三相調製波，PWM-U從比較器U6C第14腳輸出，PWM-W從比較器U6B第1腳輸出，PWM-V從比較器U6D第13腳 輸出.
在圖6橋臂功率管驅動電路中，從U6C第14輸出的PWM-U連接到半橋驅 動晶片U7的第2， 3腳，從U7的7腳輸出上臂功率管開關控制信號UH，從 U7的5腳輸出上臂功率管開關控制信號UL; PWM-V從U6D第13腳輸出，連 接到半橋驅動晶片U8的第2, 3腳，從U8的7腳輸出上臂功率管開關控制信號 VH，從U7的5腳輸出上臂功率管開關控制信號VL; PWM-W從U6B第1腳 輸出，連接到半橋驅動晶片U10的第2， 3腳，從U10的7腳輸出上臂功率管開 關控制信號WH，從U7的5腳輸出上臂功率管開關控制信號WL。
在圖7的電流設定電路技術方案，是在三相實時自動細分步進驅動器中，其 特徵在於設定電流由S1、 S2兩位開關和電阻R83 R85， R87， R9，發光二極 管POW，運放電路U9C共同完成，由電阻R9和發光二極體POW連接設定初 始參考電壓，並連接到運放電路U9C的10腳，通過開關S1， S2的閉合和開放 選擇4种放大倍數，在運放電路U9C的8腳得到四種不同大小的輸出電壓，作 為數模轉換器的參考電壓VREF。
在圖8三相逆變橋中，M1 M6共同組成了三相逆變橋，電機的三根相線分 別接在半橋中點U、 V、 PHW上，在六路驅動信號UL、 UH、 VL、 VH、 WL、 WH的控制下輪替導通，從而達到控制三相電機繞組電流的目的。
權利要求1.一種三相實時自動細分步進驅動器，採用按編制相關軟體執行的數位訊號處理器DSP為核心，依次連接由雙通道數模轉換器構成的電流指令發生器、PI運算調節器、由三角波發生器和比較器組成的PWM調製器、橋臂驅動電路、電流設定電路、三相功率逆變橋、電流檢測調理電路，由數位訊號處理器DSP接收上位控制發出的脈衝指令、方向指令和脫機指令，其特徵是根據預設的方案生成兩相電流數據指令，指令經由雙通道數模轉換器結合電流設定電路的輸出產生三相模擬電流給定，通過電流檢測調理電路檢測電機繞組中的實際電流，調理後得到電機三相電流的反饋模擬值，對給定信號和反饋信號通過PI運算調節器進行電流的閉環調節控制，最終產生PWM信號和六路驅動信號，控制三相功率逆變橋，實現電機的控制運行。
2. 根據權利要求l所述的三相實時自動細分步進驅動器，其特徵在於採用 雙通道數模轉換器構成的電流指令發生器，並行數模轉換晶片Ul將由DSP發 來的電流指令數據轉換為模擬指令，以並行數模轉換晶片U1的7 14腳接收總 線數據D7 DO，並行數模轉換晶片U1輸出的兩通道模擬指令OUT-A和OUT-B， 連接到運放電路U3A U3D處理後，通過運放電路U4D輸出第三路電流指令 REF-W。
3. 根據權利要求1所述的三相實時自動細分步進驅動器，其特徵在於電流檢測調理電路通過採用電流傳感晶片IC7， IC6，產生與電機實時相電流準確對 應的檢測電壓SEN-U和SEN-V，將電流傳感晶片的l、 2腳短接，3、 4腳短接 後直接串連接入電機的U相和V相繞組中，從7腳得到的輸出，經運放電路U9A 和U9B的整理後，從U9A的1腳輸出SEN-U，從U9B的7腳輸出SEN-V，再 通過電阻R29和R30接入運放電路U4C處理後，從運放電路U4C的8腳得到第三相W相電流的檢測值SEN-W。
4.根據權利要求l所述的三相實時自動細分步進驅動器，其特徵在於PI運 算調節器分別接收雙通道數模轉換器的參考指令REF和電流採樣處理後的反饋 指令SEN， U相參考指令REF-U通過電阻R18接入運放電路U4B的第6腳，U 相的採樣反饋指令SEN-U通過電阻R33也接入運放電路U4B的第6腳，運算 結果從運放電路U4B的第7腳輸出，送到比較器U6C的第9腳；V相參考指令 REF-V通過電阻R32接入運放電路U4A的第2腳，V相的採樣反饋SEN-V通 過電阻R34也接入運放電路U4A的第2腳，運算結果從運放電路U4A的第1 腳輸出，送到比較器U6D的第11腳；W相參考指令REF-W通過R41接入運放 電路U5D的第13腳，W相的採樣反饋SEN-W通過電阻R39也接入運放電路 U5D的第13腳，運算結果從運放電路U5D的第14腳輸出，送到比較器U6B 的第7腳;三路輸出分別通過三個比較器U6C，U6B，U6D和三角波信號PWM8 、 PWM6比較，分別生成三相調製波，PWM-U從比較器U6C第14腳輸出，PWM-W 從比較器U6B第1腳輸出，PWM-V從比較器U6D第13腳輸出。 5.根據權利要求l所述的三相實時自動細分步進驅動器，其特徵在於電流設 定電路的設定電流由S1、 S2兩位開關和電阻R83 R85， R87， R9，發光二極體 POW,運放電路U9C共同完成，由電阻R9和發光二極體POW連接設定初始 參考電壓，並連接到運放電路U9C的10腳，通過開關S1， S2的閉合和開放選 擇4种放大倍數在運放電路U9C的8腳得到四種不同大小的輸出電壓，作為數 模轉換器的參考電壓VREF。
專利摘要一種三相實時自動細分步進驅動器，採用依次連接由雙通道數模轉換器構成的電流指令發生器、PI運算調節器、由三角波發生器和比較器組成的PWM調製器、橋臂驅動電路、電流設定電路、三相功率逆變橋、電流檢測調理電路，由數位訊號處理器的脈衝、方向和脫機指令，經雙通道數模轉換器運算產生電流給定指令，通過電流檢測調理電路檢測電機繞組中的電流，調理後得到電機三相電流的反饋值，對給定信號和反饋信號通過PI運算調節器進行閉環調節控制實現電機的控制。屬於步進電機驅動控制系統的技術領域，實現提供一種三相實時自動細分步進驅動器，改善了震動和噪音，應用於自動化、醫療等領域。
文檔編號H02P8/22GK201378820SQ20082013208
公開日2010年1月6日 申請日期2008年8月5日 優先權日2008年8月5日
發明者宏 姚, 璐 王 申請人:北京和利時電機技術有限公司