步進電機平滑驅動方法
2023-12-11 12:37:22 2
專利名稱：步進電機平滑驅動方法
技術領域：
本發明涉及混和式步進電機平滑驅動技術，尤其是對步進電機三相正弦
波PWM的產生和PWM波的死區控制方式的改進。
背景技術：
步進電動機是一種將數位訊號轉換為位移(或直線位移)的機電執行元 件。每當輸入一個脈衝時，步進電機轉軸便轉過一個固定的機械角度，在數 字控制系統中得到了廣泛的應用。當步進電機要求更小的步進角和更高的分 辨率時，可通過改變定子繞組電流來實現。繞組電流給定採用經量化處理後 的正弦波並分段切入，將繞組電流給定與反饋進行比較，並根據比較結果決 定該相繞組的通斷，最終得到正弦化的定子繞組電流，這時則要求產生相位
差是嚴格的2冗，大小一樣的三相正弦波電流信號，從而才能產生完全相同的 3
三相PWM信號。
目前，在三相橋式電路中為避免同一橋臂上下開關的直通必須設置足夠 的死區時間(死區就是使同相的上下橋臂驅動信號錯開一個死區時間，防止 功率器件短路)，而實際應用中對死區的要求很嚴格。當死區時間過短時，同 相的上下橋臂驅動信號不能完全的錯開，功率器件容易短路，從而會損害功 率模塊；當死區時間過長的時候，步進電機上下橋臂就會長時間沒有電流通 過，這樣會使電機驅動能力降低。
發明內容
針對上述技術問題，本發明的任務是提出一種步進電機平滑驅動方法，以提高步進電機的三相PWM信號的準確性，提高電機運行的平穩性能。
為完成上述任務，本發明提供了一種步進電機平滑驅動方法，先用單片
機和D/A轉換器產生兩路相位差是^;r的正弦波電流，第三路信號由前面兩路
合成產生，最終產生出三相幅值相等，相位差是#冗，完全一樣的正弦波電流。
用單片機和D/A轉換器產生兩路相位差是l;r ，幅值相等的正弦波電流信
號VOA和VOB，先將正弦波信號VOA、 VOB和功率驅動模塊(PS21564)
反饋正弦波信號VOC、 VOD進行對應差分，生成的差分信號再分別經過抽樣
模塊由基準三角波抽樣，抽樣後的信號再分別經過反向器整形就得到PWM1、
PWM3信號；將VOA 、 VOB和VOC、 VOD共用加法器U-2經過加法運算，
VOA 、 VOB相加後生成和VOA、 VOB相位順次相差2;r的正弦信號，如公
3
式(1)所示的-sin("-4乂)，同時VOC和VOD也進行和VOA、 VOB相同 的運算，合成反饋的第三相信號，然後-^("-4乂)和反饋的第三相信號進行 差分，通過反向器U-5反向，再經過基準三角波抽樣電路U-8和電流整形調 節模塊U-10後得到所需要的PWM2信號。
各PWM信號在CPLD裡面進行死區控制，在CPLD裡面對輸入的PWM 波形進行處理，把u—in轉換成u—down和u_up兩相，其中u—down的上升沿 和u—in的一樣，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延遲幾個微秒；u—down的 下降沿要比u—in的下降沿延時幾個微秒，u—up的上升沿要和u—in的下降沿一 致； v in、 w in的處理方式同u in。
與已有技術相比，本發明方法的有益效果表現在
1、本改進技術方法可以使混和式步進電機運行的平穩性能得到很大的提 高。而已有的技術中，為了得到三相信號完全一樣的PWM波，相對要求嚴格的三相正弦波的產生大都是用信號發生器產生三路信號，這樣子很難保證他 們的相位差是嚴格的l;r，而且本改進方法電路設計簡單，成本較低。
2、對驅動模塊的死區控制進行改進，死區的精度控制有很大的提高，死 區的時間更好的控制，對於不同的驅動模塊，可以根據實際需要設定死區的 時間，使該驅動器具有更好的通用性。
圖l為控制系統結構框圖2為三相PWM波產生電路圖3為CPLD的波形仿真圖。
具體實施例方式
本發明解決技術問題所採用的措施
參見圖1，在系統的結框圖中，針對本改進方法主要介紹的是
ATTINY2313、 D/A轉換器、信號合成電路和邏輯合成單元。 對圖l說明
脈衝信號(CP+/CP-):每個脈衝上升沿使電機轉動一步，最小脈衝22.5^，
最高接受頻率200KHz。
方向信號(CW+/CW-):單脈衝控制方式時為方向控制信號輸入接口， cw
為低電平時電機順時針旋轉，CW為高電平時電機逆時針旋轉。雙脈衝控制方 式時為反轉步進脈衝信號輸入口。
細分功能選擇(FINE):當FINE為高電平時，細分功能有效，當FINE為 高低平時，細分功能無效。
脫機信號輸入(FREE+/FREE-):脫機+與脫機-之間分別加高低電平，電機無相電流，電機繞子處於不穩定的自由狀態；反之脫機+與脫機-之間分別加 相同電平或不接，電機處於鎖定狀態。
報警信號輸出(ERR):報警信號輸出接口。
光電耦合對從RS232來的信號進行濾波，整形。
ATTINY2313: AVR單片機，和D/A轉換器一起把脈衝信號變成正弦波 信號。
基準三角波發生器產生基準的三角波，用來合成PWM波。
10MHz晶振10MHz有源晶振，為單片機和CPLD提供時鐘頻率。
XC9572CPLD:死區控制單元，控制電機三相電流的導通和截至時間。
整流器和開關電源通稱為電源模塊，產生電機、功率驅動器的電壓值。
功率驅動電路以PS21564為核心的模塊，驅動電機旋轉。
信號合成電路把D/A生成的正弦信號、電流反饋信號和基準三角波信
號合成電機運行需要的PWM信號。
本改進技術的特點在於產生三相幅值相等，相位差是^;r的正弦波電流
3
時，我們只用單片機和D/A轉換器產生兩路相位差是且;r的正弦波電流，第三
3
路信號由前面兩路產生，產生的電路如圖2。只生成兩路信號，對單片機的性 能要求會低一些，同時保證相位差是|"，這樣才能生成三相完全一樣的PWM波形。
本改進技術的特點也在於在三相橋式電路中為避免同一橋臂上下開關的 直通必須設置足夠的死區時間，系統是在CPLD裡面進行死區控制。採用 CPLD的控制方式後，死區的精度有很大的提高，死區的時間更好的控制，對 於不同的驅動模塊，可以自由的設定死區的時間，使該驅動器具有更好的通用性。而且CPLD的價格比較便宜，對比以前的用模擬電路來進行死區控制 而言，降低了成本。
參見圖2，當單片機和D/A轉換器產生兩路相位差是^;r，幅值相等的正
3
弦波電流信號(VOA和VOB)時，在U-1中正弦波信號VOA和功率驅動模塊 (PS21564)反饋正弦波信號VOC進行差分，生成的差分信號經過抽樣模塊 U-4，在U-4中由10.2K的基準三角波抽樣，抽樣後的信號再經過反向器U-7 的整形就得到PWM1信號。同理，正弦波信號VOB和功率驅動模塊(PS21564) 反饋的正弦波信號VOD在U-3， U-6， U-9中進行同樣的運算，生成PWM3 信號。
下面著重介紹PWM2信號的生成，首先看下面的公式(1)禾n (2):
sin(a) + sin(" —= 2sin
=2sin("-義^os(麼)二 sin("-麼)=—sinl
a + a
.2;r/
cos
"—"+
2;zv
(i)
即
sin "
.化/
sin(a) + sin(" —
假設VOA是sin(cO， VOB是sin("-l;r)，則我們想得到的是sin("+)信
號，由上面的兩個公式可知，用一個加法器U-2和一個反向器U-5就可以得 到。同時，假如反饋信號VOC是sin(/ )， VOD是sin(/ 」;r)，他們的第三相信 號sin(/ -l^r)也可以由上面的式子得到，這樣我們就讓他們同時共用加法器 U-2和反向器U-5，同時各自生成的第三相信號進行差分，得到差分信號，再 經過基準三角波抽樣電路U-8和電流整形調節模塊U-10後得到所需要的 PWM2信號。這樣做的好處是能夠生成驅動模塊所需的PWM信號，使電機 運行的平穩性能有了很大的提高。用簡單的電路來實現PWM信號，可以提高
(2)信號生成的速度，實時性好。
本改進技術的特點也在於在三相橋式電路中為避免同一橋臂上下開關的 直通必須設置足夠的死區時間，改進的系統死區控制是在CPLD內完成。參
見圖3，在CPLD裡面對輸入的PWM波形進行處理，對u—in、 v—in、 w—in做 同樣的處理，把u—in轉換成u—down和u—up兩相，其中u—down的上升沿和 u—in的一樣，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延遲幾個微秒；u—down的下 降沿要比u—in的下降沿延時幾個微秒，u—up的上升沿要和u一in的下降沿一致。 採用這樣的方式控制後，精度有很大的提高，死區的時間更好的控制，對於 不同的驅動模塊，可以自由的設定死區的時間，使該驅動器具有更好的通用 性，而且CPLD的價格比較便宜，對比以前的用模擬電路來進行死區控制而 言，降低了成本。
權利要求
1、一種步進電機平滑驅動方法，其特徵在於，先用單片機和D/A轉換器產生兩路相位差是 top= "38" left = "63"/>的正弦波電流，第三路信號由前面兩路合成產生，最終產生出三相幅值相等，相位差是 top= "49" left = "93"/>完全一樣的正弦波電流。
2、 根據權利要求1所述的步進電機平滑驅動方法，其特徵在於，用單片機和D/A轉換器產生兩路相位差是2;r ，幅值相等的正弦波電流信號VOA和3VOB，先將正弦波信號VOA、 VOB和功率驅動模塊(PS21564)反饋正弦波信號VOC、 VOD進行對應差分，生成的差分信號再分別經過抽樣模塊由基準三角波抽樣，抽樣後的信號再分別經過反向器整形就得到PWM1、 PWM3信號；將VOA 、 VOB和VOC、 VOD共用加法器U-2經過加法運算，VOA 、VOB相加後生成和VOA、 VOB相位順次相差^;r的正弦信號，即formula see original document page 2同時VOC和VOD也進行和VOA、 VOB相同的運算，合成 反饋的第三相信號，然後formula see original document page 2和反饋的第三相信號進行差分，通過反 向器U-5反向，再經過基準三角波抽樣電路U-8和電流整形調節模塊U-10後 得到所需要的PWM2信號。
3、 根據權利要求1或2所述的步進電機平滑驅動方法，其特徵在於，各 PWM信號在CPLD裡面進行死區控制，在CPLD裡面對輸入的PWM波形進 行處理，把u—in轉換成u一down和u一up兩相，其中u一down的上升沿和u—in 的一樣，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延遲幾個微秒；u—down的下降沿 要比u一in的下條沿延時幾個微秒，u一up的上升沿要和u—in的下降沿一致；v in、 w in的處理方式同u in。
全文摘要
本發明涉及一種混和式步進電機平滑驅動技術，先用單片機和D/A轉換器產生兩路相位差是2/3π的正弦波電流，第三路信號由前面兩路合成產生，最終產生出三相幅值相等，相位差是2/3π，完全一樣的正弦波電流。本改進技術方法可以使混和式步進電機運行的平穩性能得到很大的提高。而已有的技術中，為了得到三相信號完全一樣的PWM波，相對要求嚴格的三相正弦波的產生大都是用信號發生器產生三路信號，這樣子很難保證他們的相位差是嚴格的2/3π，而且本改進方法電路設計簡單，成本較低。
文檔編號H02P8/22GK101594109SQ20081004988
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月28日 優先權日2008年5月28日
發明者張前進, 徐素莉 申請人:河南科技大學