高細分多路步進電機片上系統驅動器的製作方法

2023-08-07 21:21:56 3

專利名稱：高細分多路步進電機片上系統驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及高細分多路步進電機片上系統驅動器，屬於電機控制領域。
背景技術：
步進電機的運行不能由普通的交直流電源供電，需要專用的驅動設備，所以步進 電機的性能很大程度上取決於其驅動系統性能的優劣。市面有大量的通用型的步進電機驅 動器，僅需要提供給其電源、方向信號和動作脈衝信號即可工作。但是大多是由單片機和分 立元件組成，系統集成度低，抗幹擾能力差，步距角解析度不高，導致步進電機定位精度不 高，制約了步進電機的應用範圍。同時，還存在以下缺陷(1)低頻振蕩步進電機在低速運行時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能 有關，一般認為振動頻率為電機空載起動頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定 的低頻振動現象對於機器的正常運轉非常不利。(2)高頻出力不足步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最 高工作轉速一般在300 600r/min。目前步進電機在脈衝當量為1 μ m，最高移動速度僅有 2mm/min，且功率越大，移動速度越低。(3)多路步進電機同時驅動實時性問題現在多步進電機驅動大多採用分時復用控制驅動，這可以減少驅動器的使用數 量，在一定程度上降低了系統的成本，但是在一些場合比如多探針定位系統中要求多個步 進電機協調同時工作，這樣目前基於計算機分時控制驅動就無法滿足。

發明內容
本發明為了解決現在步進電機存在低頻振蕩、高頻出力不足，以及無法滿足多個 步進電機協調同時工作的問題，提供了一種高細分多路步進電機片上系統驅動器。本發明高細分多路步進電機片上系統驅動器包括撥碼開關、FPGA主控電路、η路 光耦隔離電路、η路驅動電路、η路三相逆變橋、3η個電流互感器和η路過流保護電路，撥碼開關的輸出端接FPGA主控電路的輸入端，FPGA主控電路具有η路電機輸出 埠，每路電機輸出埠接一路光耦隔離電路的輸入端，所述光耦隔離電路的輸出端接驅 動電路的輸入端，驅動電路的輸出端接三相逆變橋的輸入端，三相逆變橋的三個輸出端分 別為電機的三相驅動電流輸出端，三個電流互感器分別用於採集三相逆變橋的三個輸出端 的輸出電流，每個電流互感器採集的步進電機的相電流信號輸出給過流保護電路，過流保 護電路的輸出端接驅動電路的過流控制輸入端。本發明的優點從混合式步進電機固有的結構特點和運行特性出發，將EDA(電子 設計自動化)技術引入到多路步進電機控制中，以FPGA為硬體載體，利用FPGA並行控制的 特點和I/O 口多的優點，在單片FPGA晶片中構建多個可復用的步進電機驅動IP核，提高多電機同時工作的動態性能和運動位置控制精度，最終要設計一種基於FPGA的多路三相混 合式步進電機驅動器片上系統(SOC)。採用SOC設計技術，可大幅度提高系統的可靠性，減 小系統的面積，降低系統成本和功耗，極大地提高系統的性價比。實現了多路步進電機並行無延遲驅動的多路步進電機驅動器片上系統設計。解決 了傳統多路步進電機驅動器分時復用控制及電路設計複雜、體積過大、調試和維護困難等 問題。本發明多路步進電機驅動器片上系統設計實現了硬體並行無延遲運行，高數位化 集成度，高可靠和性價比高的目標。多路步進電機驅動器片上系統設計取代了傳統多路步 進電機驅動器的分時復用控制，一個晶片可以並行無延遲控制多路電機同時工作，同時由 於FPGA可重複編程的特點，可以對它進行在線修改、調試和運行，縮短了系統開發周期和 節約了系統成本。基於FPGA的多路步進電機驅動器設計技術填補了國內多步進電機控制 技術的空白，技術達到了國內同類產品的先進水平，本發明裝置的主要特點有(1)在電機運行頻率與繞組供電電壓之間建立了一種直接的數值關係，實現了當 電機低速運行時繞組相電壓降低，當電機高速運行時繞組相電壓提高，從而有效地降低了 電機低頻振蕩以及改善了電機的高頻響應；(2)構建了一種基於FPGA的η路步進電機驅動功能模塊。此IP核充分利用了 FPGA 豐富的內部邏輯資源和外部引腳資源，可以實現單片FPGA晶片同時控制η路步進電機，從 根本上解決了傳統的一個控制器只能控制一路電機的現狀，解決了多個步進電機協調同時 工作的問題，實現了電機控制的小型化和微型化，減小了控制系統的體積，提高了整個控制 系統的穩定性。


圖1是本發明結構示意圖；圖2是FPGA主控電路的結構示意圖；圖3是三相逆變橋的結構示意圖；圖4是型號為Cyclon II EP2C20Q240C8的FPGA的邏輯示意圖；
圖5是FPGA主控制電路頂層電路圖；圖6是型號為HCPL2631的光電耦合器的結構示意圖；圖7是光耦隔離電路結構示意圖；圖8是型號為IR2130是專用的三相橋驅動器的結構示意圖；圖9是系統電源模塊原理圖；圖10細分波形發生器I/O結構示意圖；圖11細分電流輸出的仿真波形圖；圖12-31是本發明的系統驅動器在驅動電機工作時，驅動器內部信號與電機各項 繞組的電流和電壓信號的波形圖，其中圖12是A路三相橋上橋臂驅動信號波形示意圖；圖13是A路三相橋下橋臂驅動信號波形示意圖；圖14是A路三相繞組線電壓波形示意圖；圖15是A路三相繞組相電壓波形示意圖16是B路三相橋上橋臂驅動信號波形示意圖；圖17是B路三相橋下橋臂驅動信號波形示意圖；圖18是B路三相繞組線電壓波形示意圖；圖19是B路三相繞組相電壓波形示意圖；圖20是A路電機運行時電流波形示意圖；圖21是B路電機運行時電流波形示意圖；圖22是4096細分後三相繞組電流波形示意圖；圖23是1024細分後三相繞組電流波形示意圖；圖24是32細分後三相繞組電流波形示意圖；圖25是16細分後三相繞組電流波形示意圖；圖26是A路電機正反轉切換時三相繞組電流波形示意圖；圖27是B路電機正反轉切換時三相繞組電流波形示意圖；圖28是A路電機升速時三相繞組電流波形示意圖；圖29是A路電機減速時三相繞組電流波形示意圖；圖30是B路電機升速時三相繞組電流波形示意圖；圖31是B路電機減速時三相繞組電流波形示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1至圖11說明本實施方式，本實施方式包括撥碼開 關1、FPGA主控電路2、η路光耦隔離電路3、η路驅動電路4、η路三相逆變橋5、3η個電流 互感器6和η路過流保護電路7，撥碼開關1的輸出端接FPGA主控電路2的輸入端，FPGA主控電路2具有η路電 機輸出埠，每路電機輸出埠接一路光耦隔離電路3的輸入端，所述光耦隔離電路3的輸 出端接驅動電路4的輸入端，驅動電路4的輸出端接三相逆變橋5的輸入端，三相逆變橋5 的三個輸出端分別為電機的三相驅動電流輸出端，三個電流互感器6分別用於採集三相逆 變橋5的三個輸出端的輸出電流，每個電流互感器6採集的步進電機的相電流信號輸出給 過流保護電路7，過流保護電路7的輸出端接驅動電路4的過流控制輸入端。本發明設計的是一種基於FPGA的多路三相混合式步進電機驅動器片上系統 (SOC)，即多探針定位系統中多個步進電機協調同時工作的情況，本發明採用升頻升壓驅動 技術，可以有效地降低電機運行時的低頻振蕩與提高系統的高頻響應，改善了步進電機動 態特性。三相混合式步進電機的系統總體硬體框圖如圖1所示。在FPGA主控電路2中構造η路電機驅動功能模塊。根據用戶輸入信號，CP脈衝 發生器產生η路電機的驅動脈衝信號。CP脈衝和用戶輸入的電機轉向信號分別送入各路細 分波形發生器和升頻升壓模塊，調節後的給定電流與三角波進行PWM調製，進行死區設置 後分別輸出六路PWM波驅動各路電機運行。本系統是一個電流開環控制系統。運動控制信號由拔碼開關給定，控制信號主要 有方向信號、啟停信號和CP脈衝給定信號。FPGA對拔碼開關輸入信號的比較與判斷，輸出 滿足系統控制要求的SPWM信號，信號經過隔離驅動電路後驅動電機正常運行。系統採用的 是開環控制方式，反饋的電流經過濾波放大比較後，經過過流保護電路實現主功率電路的保護，提高系統運行的安全性和可靠性。三相逆變橋5結構如圖3所示。三相逆變橋5的主要作用是進行能量交換、驅動 三相混合式步進電機工作。系統直接採用穩壓源輸出的20V電壓(Uin)作為三相逆變橋5 的直流母線電壓，經過電解電容Cl2平滑，然後穩定的直流電壓再經過三相逆變橋5斬波形 成電壓和頻率可調的三相正弦交流電供給三相混合式步進電機，電機的三相繞組可以接成 星形或者三角形。本實施方式步進電機為星形連接。其中FPGA主控電路2的結構如圖2所示。FPGA主控電路2採用ALTERA公司的 FPGA 晶片 EP2C20Q240C8。FPGA主控電路2包括通用IO接口 2_1、CP脈衝發生器2_2、η路細分波形發生器 2-3、η路升頻升壓電路2-4和η路PWM調製信號生成模塊2_5，通用IO接口 2-1根據用戶輸入的信息輸出每路步進電機的轉向信息，通用IO接 口 2-1同時將時鐘信號輸出給CP脈衝發生器2-2，CP脈衝發生器2-2將所述時鐘信號生成 η路電機的時鐘脈衝串輸出，每路時鐘脈衝串及該路電機的轉向信息同時輸出給一路細分 波形發生器2-3，所述細分波形發生器2-3根據接收的信息查詢正弦表，輸出控制該路步進 電機所需的三相電流數字量信號給升頻升壓電路2-4，該升頻升壓電路2-4在該路電機的 時鐘脈衝串的控制下，輸出放大的三相控制電流數字量信號作為三相調製波，所述三相調 制波由PWM調製信號生成模塊2-5調製輸出該路電機的PWM調製信號。在本設計中採用ALTERA公司的FPGA晶片EP2C20Q240C8來構建步進電機的控制 系統，將步進電機的所有控制全部集成在一片FPGA晶片上，實現多路步進電機驅動器的片 上系統設計。這裡FPGA完成步進電機的速度控制、正反轉控制、繞組電流大小調節、PWM調 制，然後輸出六路PWM脈寬調製波來控制功率電路的MOSFET的通斷，驅動步進電機工作。 EP2C20Q240C8是Cyclone II系列的一款低成本經濟型FPGA晶片，採用90nm工藝製造，能 夠重複編程20000次以上，編程時無需編程器，器件內部帶有JTAG接口，通過JTAG實現在 線編程。含有18752個邏輯單元(LE)，52個M4K RAM塊(雙埠存儲器塊)，提供一個全局 時鐘網絡且有4個鎖相環(PLL)，內嵌26個乘法器，每個內嵌乘法器能實現2個9X9位的 乘法。其內部結構如圖4所示。這些豐富的片上資源可以滿足多路步進電機驅動器片上系統設計的需要，因此設 計中選用該款晶片。圖5為FPGA主控制電路頂層電路原理圖，其中U_p0Wer塊為主控制 電路的電源模塊，U_config塊為串行配置電路，以便對FPGA進行JTAG編程，U_PI0和U_ FPGAIO塊為主控制電路的I/O 口，實現系統的人機互動以及控制信號的輸入與輸出。要使步進電機正常工作，必須按照該種電機的勵磁狀態轉換表所規定的狀態和順 序依次對各相繞組進行通電或斷電控制，各相驅動信號來源於細分波形發生器2-3。細分波 形發生器2-3的主要功能是把來源於控制環節的時鐘脈衝串按一定的規律分配給步進電 機驅動器的各相輸入端。同時，由於電機有正反轉要求，所以細分波形發生器2-3的輸出即 是周期性的又是可逆的。細分波形發生器2-3的原理圖如圖10所示。細分波形發生器2-3內部例化了一個單埠的BLOCK ROM, ROM的初始值為4096 細分後一個周期的正弦數據，正弦表的幅值由驅動系統的最大額定電流決定，輸出的給定 電流的幅值根據外部輸入電流值進行調節，電流調節精度為12位，離散誤差為0. 003A。捕 獲到CP脈衝後，根據依次給出的三相繞組對應的地址數據，可查得正弦表中設定的三相繞組額定電流值，並同時更新三個給定數據寄存器，然後將這三個給定數據寄存器中的數值 送入電流幅值調節模塊，根據輸入的電流值，對給定電流進行調節。三相繞組的給定電流共 用一個正弦表，三相繞組電流遵循互差120°的原則。三相繞組的地址數據每次的增量由在 給定速度下的最佳細分等級決定。細分波形發生器2-3實現了對電機轉向的控制。轉向的切換有兩種方法，一種是 交換B、C兩相電流數據，即電機的正反轉信號將控制一個多路選擇器，當方向信號CCW為低 電平時，電機的轉向為逆時針；當CCff為高電平時，將B相和C相的電流數據進行交換即可 實現換向；另一種方法是反向查表法，即當方向改變時，地址計數器遞減，從而改變電流方 向實現換向，本設計採用反向查表法來實現電機轉向切換。圖11為細分電流輸出的仿真結^ ο升頻升壓電路2-4:從步進電機驅動原理上說，為了減小低頻振動，應使低速時繞組電流上升的前沿 較平緩，這樣才能使轉子在到達新的穩定平衡位置時不產生過衝，而在高速時則應使電流 有較陡的前沿以產生足夠的繞組電流，才能提高電機的帶載能力。這就要求驅動器對繞組 提供的電壓與電機運行頻率建立直接聯繫，低頻時用較低供電，高頻時用較高電壓供電。升 頻升壓可以很好地滿足這一要求。當給定的CP脈衝頻率增大時，相應的電流給定波形的幅 值也增加。每路PWM調製信號生成模塊2-5包括A相比較器2_5_1、B相比較器2_5_2、C相比 較器2-5-3、A相死區設置2-5-4、B相死區設置2_5_5、C相死區設置2_5_6和三角波發生 器 2-5-7，三角波發生器2-5-7輸出的載波分別輸出給A相比較器2_5_1、B相比較器2_5_2 和C相比較器2-5-3，A相調製波與載波由A相比較器2-5-1進行比較，比較輸出的結果經 過A相死區設置2-5-4邏輯綜合處理輸出A相PWM信號；B相調製波與載波由B相比較器 2-5-2進行比較，比較輸出的結果經過B相死區設置2-5-5邏輯綜合處理輸出B相PWM信號； C相調製波與載波由C相比較器2-5-3進行比較，比較輸出的結果經過C相死區設置2-5-6 邏輯綜合處理輸出C相PWM信號。三角波即載波。載波分為單極性和雙極性兩種，因為雙極性調製波可應用於SPWM 也可以實現線性電壓或電流的控制輸出所以此模塊採用了雙極性調製。本設計採用的是同 步三角波調製方法，利用可逆計數器對系統時鐘進行計數。系統的數據精度是12位，系統 工作時鐘為50MHz，由於計數器的速度取決於低位到高位的進位延遲，為了提高速度採用預 定標計數器結構，將計數器拆分為3位計數器和9位計數器，它們由同一時鐘驅動，9位計數 器的使能端由3位計數器進位驅動，這樣3位計數器每8個CLK進位一次，使EN持續有效 一個CLK的時間，此時有效時鐘沿到來，9位計數器加1，因而小計數器內部寄存器之間的最 大延時為1個CLK，大計數器內部寄存器之間的最大延遲為8個CLK，降低了計數器的要求。 計數器從0加到213-1再從213-1減到0，所以調製波是公差為1的階梯波，整個過程PWM波 翻轉兩次，所以 PWM 波的頻率 f = l/(213-l)*fclk = 1/(8191*10-8) = 12. 208KHz。本模塊產生三相PWM信號來控制六路MOSFET的通斷，從而控制步進電機的運行。 PWM脈寬調製的數據精度為12位，採用三角波作為載波，將調製波與載波比較，比較後的結 果經過延時電路進行邏輯綜合後輸出具有死區保護的控制PWM信號。PWM信號發生器由三角波發生器、比較器和延時電路組成。光耦隔離電路3由三片光電耦合器並聯構成，每片光電耦合器具有兩路信號通 道。三片光電耦合器將FPGA主控電路發出的1路電機信號中的6個信號輸出給驅動電路 4。所述光電耦的型號為HCPL2631。抗幹擾能力是實時控制系統設計時必須考慮的，由於步進電機具有電磁特性，當 電機正常運行時功率驅動部分和電機本體常常產生很強的電磁幹擾，而輸出通道是幹擾進 入控制系統的主要通道，為防止電氣幹擾從輸出通道進入系統控制部分而造成系統工作異 常，通常在輸出通道上採用隔離技術。本系統採用光電耦合器，考慮到本系統適用於中功率 及產品在線升級的場合，選用了 3片高速雙路光電耦合器HCPL2631，它的高、低電平轉換傳 輸延遲時間較短，典型值為48ns，具體的原理圖如圖6所示。在本系統中，FPGA的3路控制H橋上橋臂的信號連接到3個光耦的一路通道的負 輸入端，這路通道正輸入端接到FPGA的3. 3V電源上；FPGA的3路控制H橋下橋臂的信號連 接到3個光耦的另一路通道的正輸入端，這路通道負輸入端接到FPGA的3. 3V電源上。光 耦的六路輸出直接控制功率驅動模塊中的六路MOSFET的通斷，以控制步進電機的三相繞 組電流，其中一相繞組的光耦隔離電路如圖7所示。驅動電路4採用美國國際整流器公司生產的專用驅動晶片IR2130。本實施方式的驅動電路4和過電流保護電路7由IR2130 —個晶片實現。在功率變換裝置中，根據主電路的結構，其功率開關器件一般採用直接驅動和隔 離驅動兩種方式。採用隔離驅動方式時需要將多路驅動電路、控制電路、主電路互相隔離， 以免引起災難性的後果。隔離驅動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。光電隔離具有體積小，結構簡單等優點，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺 點。快速光耦的速度也僅幾十KHz。電磁隔離用脈衝變壓器作為隔離元件，具有響應速度
快(脈衝的前沿和後沿)，原副邊的絕緣強度高，f共模幹擾抑制能力強。但信號的最大傳
dt
輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。脈衝變壓器體積大，笨重，加工復 雜。凡是隔離驅動方式，每路驅動都要一組輔助電源，若是三相橋，則需要六組，而且還要互 相懸浮，增加了電路的複雜性。隨著驅動技術的不斷成熟，已有多種集成驅動器推出。如 EXB840/841、M57959L/AL、M57962uAL、HR065等等，它們均採用的是光耦隔離，仍受上述缺點 的限制。而美國國際整流器公司生產的專用驅動晶片IR2130隻需一個供電電源即可驅動 三相橋式逆變電路的6個功率開關器件，可以使整個驅動電路簡單可靠。IR2130是專用的三相橋驅動器，它帶有三個獨立的高壓側和低壓側輸出通道，可 輸出六路驅動脈衝，只需一個直流工作電源，工作頻率可達上千赫茲。它的工作電源電壓為 3 20V，可用於驅動工作在母線電壓不超過600V電路中的MOSFET或IGBT器件，最大輸出 正向峰值驅動電流為250mA，而反向峰值驅動電流為500mA。它還可以對同一橋臂上下兩個 功率器件的柵極驅動信號產生2ps的互鎖延時時間。IR2130具有十分完善的保護功能，比 如內部設有過電流、過電壓、欠電壓、邏輯識別保護以及封鎖和指示環節等。本實施方式採用IR2130專用晶片驅動三相橋式逆變器，逆變器採用互補工作方 式，並且由於IR2130可對同一橋臂上下兩個功率器件的柵極驅動信號產生2ps的互鎖延時 時間作為死區時間，因此FPGA只要產生驅動上橋臂的三路PWM信號即可，驅動下橋臂的另三路PWM信號只要在FPGA中經過三個非門產生。設計中IR2130的接法電路如下圖8所示。 並由圖4所示的三相逆變橋5可知，SAMPLE處採樣的是電機的繞組的總電流，截止電流取 樣電阻R4 = 0. 1 Ω，通過計算可知，當逆變器總電流尖峰值超過5Α後IR2130引腳9(ITRIP 腳)端電壓到達0. 5V，IR2130的內部保護電路使其輸出驅動信號全為低電平，從而使被驅 動功率管全部截止，同時由腳S(FAULT)輸出低電平信號，驅動發光二極體報警。重要元器件的選擇自舉是通過自舉電容C3 (C4和C14也為自舉電容，選取方法均相同)來實現的，下橋 臂導通或者通過下橋臂自舉二極體續流時，Vs為低電平，C3通過自舉二極體D1 (D2和D3也為 自舉二極體，選取方法均相同)由VCC充電，而當上橋臂導通或者上下橋臂均處於關斷狀態 時C3得不到通電。其中防倒流二極體(D1, D2, D3)和自舉電容(C3、C4、C14)是IR2130在PWM應用
時需要嚴格挑選和設計的元器件，使電路工作在最佳狀態。在工程應用中，取自舉電容 20
C3 > g 。式中，Qg為門極提供的柵電荷。fi卽·1. 5V白勺麵
^ cc —川—1)
(包括D1的正向壓降)，則在器件開通後，自舉電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓 (IOV)要高。同時，在選擇自舉電容大小時，應綜合考慮懸浮驅動的最寬導通時間ton (max) 和最窄導通時間tonOnin)。導通時間既不能太大影響窄脈衝的驅動性能，也不能太小而影 響寬脈衝的驅動要求。根據功率器件的工作頻率、開關速度、門極特性對導通時間進行選 擇。經過實際的調試，C3、C4*C14最終選擇2.2yF膽電容。DpD2和D3主要用於阻斷直流 幹線上的高壓，其承受的電流是柵極電荷與開關頻率之積，為了減少電荷損失，應選擇反向 漏電流小的二極體，本設計中採用的快恢復二極體FR107，在被驅動的功率MOS器件柵極與 IR2130的輸出之間串聯一個33Ω無感電阻R6(R7 R11)消除振蕩。電流互感器6採用北京霍遠科技有限公司的HCT206B。電源模塊電路系統需要用到供電電壓數字部分供電5V，模擬部分供電5V(系統只提供一路5V 電壓，數字與模擬電壓用0 Ω電阻進行簡單隔離)，驅動部分的15V和主電路的20V，用於光 耦隔離器輸入端和輸出端供電的不隔離的3. 3V和5V，用於FPGA內部輸入緩衝器供電電壓 3. 3V，用於FPGA內部的邏輯電路和相應標準輸入緩衝器供電電壓1.2V，如圖9所示。本系統採用單電源即UiOOV)供電，考慮到系統成本以及電路複雜程度的問題，最 終選用三端線性穩壓晶片來獲得所需工作直流電壓。其中採用了 LM7815做為一級穩壓，輸 入可以是17. 5V 32V，輸出電壓15V ；二級穩壓採用的是LM7805，將15V轉化為5V直流輸 出，經實驗測試，二者發熱不是很嚴重，能夠滿足系統要求。如圖9所示，在三端穩壓晶片輸 入和輸出間並聯了一個二極體，目的是當系統突然斷電時，系統電壓衝擊能夠通過二極體 反饋到輸入端，從而避免了對穩壓晶片的衝擊。
具體實施方式
二 下面結合圖12至圖31說明本實施方式，本實施方式給出具體實 施例，本系統的實驗對象是一臺三相混合式步進電機，型號為57H370C2500。基步距角為 1.2° /0.6°，相電流為5. 2A，保持轉矩為0.9Ν·πι，空載啟動頻率為2KHz。本實施例給出的FPGA主控電路2給出η = 8路電機控制信號，但是考慮系統成本 以及實用性，只製作了兩路步進電機隔離驅動硬體電路，只進行兩路電機驅動性能的相關測試，由於FPGA主控電路2同時給出了 8路控制信號，經測試均滿足控制要求，雖然只是同 時控制兩路步進電機，但是可以代表8路電機同時驅動的情況。本測試採用Tektronix示波器記錄實驗波形，並對測試結果進行分析。通過示波器實測了兩路(不妨定義為A、B兩路)驅動電路的六路SPWM信號，圖和 圖13為A路三相橋上、下橋臂驅動信號。圖14和圖15分別為A路驅動電路中電機三相繞組線電壓與相電壓波形，從示波 器圖中可以看出A、B、C三相互差120°，符合設計要求。同理，用示波器觀察B路驅動電路SP麗波形，如圖16和圖17所示。圖18和圖19分別為B路驅動電路中電機三相繞組線電壓與相電壓波形，從示波 器圖中可以看出A、B、C三相互差120°，符合設計要求。用示波器測試A、B兩路電機連續運行時電流。如圖20和圖21所示。由於系統是開環控制，沒有引入電流閉環，電流通過電流互感器進行測量，電流互 感器採用北京霍遠科技有限公司的HCT206B，該型號的電流互感器基本參數為額定電流 輸入為5A，精度為0.1%，非線性度為0. 07 %，相移9 『。如圖20和圖21，示波器顯示A、B、C相電流波形，兩路電機運行時A、B、C三相電流 相位差依次為120°，根據升頻升壓驅動原理，電機繞組去驅動波形為SPWM波，加載到電機 繞組上後，三相逆變橋5採樣得到的電流是相位相差120°的正弦波形，其能夠在空間形成 一個旋轉的圓形磁場，驅動器性能明顯改善。下面進一步分析經過細分波形發生器2-3，改變細分數三相繞組電流波形。圖22至圖25為在不同轉速下三相繞組電流採樣信號的幅值和相位關係波形圖。 圖中A通道、B通道、C通道分別為A、B、C三相電流採樣信號。圖22為4096細分，圖23為 1024細分，圖24為32細分，圖25為16細分。可見，三相繞組電流之間嚴格遵循著120°電角度的相位差，符合實施方式一推導 出的細分電流函數的相位關係。在低速時採用了 4096超高細分，與16細分和32細分運行 相比，1轉的步數最大可達204800，極大地消除了低頻振蕩和噪聲，電機運行非常平滑。而 且由於採用以轉速誤差最小原則的細分自動切換，所以轉速誤差小於0. 01 %。當需要改變電機的運行方向時，細分波形發生器2-3根據外部控制電機運行方向 的按鍵狀態，反向查找存儲給定電流的ROM表。通過反向查表改變旋轉方向時電機在正反 轉切換時的繞組電流波形如圖26和圖27所示，圖中A通道、B通道、C通道分別為A、B、C三 相電流採樣信號。圖26給出了正反轉切換時A路電機工作時A、B、C三相繞組的電流波形， 圖27給出了正反轉切換時B路電機工作時A、B、C三相繞組的電流波形。由圖可見，在正反 轉切換時正弦階梯電流向相反方向變化，磁場旋轉方向改變，從而改變了電機的旋轉方向。變速時電機繞組電流波形步進電機的轉速由CP脈衝頻率決定，因此可以通過改變CP脈衝的頻率實現對步 進電機轉速的開環控制，圖28和圖29為A路步進電機升降速時的繞組電流波形，圖28為 電機升速時繞組電流波形曲線，圖29為電機降速時繞組電流波形曲線。圖30和圖31為B 路步進電機升降速時的繞組電流波形，圖30為電機升速時繞組電流波形曲線，圖31為電機 降速時繞組電流波形曲線。 由於採取電流開環控制策略，系統控制方法中也沒有採取穩定電流使電流恆定的措施，因此當對電機進行調速時，電機繞組電流會發生改變。觀察圖28至圖31實測波形可 知，當電機升速時，電機的繞組電流減小，當電機減速時，電機的繞組電流增大。但在本課題 應用背景(多探針定位系統)中的電機調速範圍(4r/min 60r/min)之內進行調速時，電 機繞組電流變化不大，在誤差允許範圍內。
權利要求
高細分多路步進電機片上系統驅動器，其特徵在於，它包括撥碼開關(1)、FPGA主控電路(2)、n路光耦隔離電路(3)、n路驅動電路(4)、n路三相逆變橋(5)、3n個電流互感器(6)和n路過流保護電路(7)，撥碼開關(1)的輸出端接FPGA主控電路(2)的輸入端，FPGA主控電路(2)具有n路電機輸出埠，每路電機輸出埠接一路光耦隔離電路(3)的輸入端，所述光耦隔離電路(3)的輸出端接驅動電路(4)的輸入端，驅動電路(4)的輸出端接三相逆變橋(5)的輸入端，三相逆變橋(5)的三個輸出端分別為電機的三相驅動電流輸出端，三個電流互感器(6)分別用於採集三相逆變橋(5)的三個輸出端的輸出電流，每個電流互感器(6)採集的步進電機的相電流信號輸出給過流保護電路(7)，過流保護電路(7)的輸出端接驅動電路(4)的過流控制輸入端。
2.根據權利要求1所述的高細分多路步進電機片上系統驅動器，其特徵在於，FPGA主 控電路(2)採用ALTERA公司的FPGA晶片EP2C20Q240C8。
3.根據權利要求1和2所述的高細分多路步進電機片上系統驅動器，其特徵在於，FPGA 主控電路(2)包括通用IO接口(2-1)、CP脈衝發生器(2-2)、η路細分波形發生器(2_3)、 η路升頻升壓電路(2-4)和η路PWM調製信號生成模塊(2_5)，通用IO接口(2-1)根據用戶輸入的信息輸出每路步進電機的轉向信息，通用IO接口 (2-1)同時將時鐘信號輸出給CP脈衝發生器(2-2)，CP脈衝發生器(2-2)將所述時鐘信號 生成η路電機的時鐘脈衝串輸出，每路時鐘脈衝串及該路電機的轉向信息同時輸出給一路 細分波形發生器(2-3)，所述細分波形發生器(2-3)根據接收的信息查詢正弦表，輸出控制 該路步進電機所需的三相電流數字量信號給升頻升壓電路(2-4)，該升頻升壓電路(2-4) 在該路電機的時鐘脈衝串的控制下，輸出放大的三相控制電流數字量信號作為三相調製 波，所述三相調製波由PWM調製信號生成模塊(2-5)調製輸出該路電機的PWM調製信號。
4.根據權利要求1所述的高細分多路步進電機片上系統驅動器，其特徵在於，每路 PWM調製信號生成模塊(2-5)包括A相比較器(2-5-1)、B相比較器(2_5_2)、C相比較器 (2-5-3)、Α相死區設置(2-5-4)、Β相死區設置(2_5_5)、C相死區設置(2_5_6)和三角波發 生器(2-5-7)，三角波發生器(2-5-7)輸出的載波分別輸出給A相比較器(2-5-1)、B相比較器 (2-5-2)和C相比較器(2-5-3)，A相調製波與載波由A相比較器(2_5_1)進行比較，比較 輸出的結果經過A相死區設置(2-5-4)邏輯綜合處理輸出A相PWM信號；B相調製波與載 波由B相比較器(2-5-2)進行比較，比較輸出的結果經過B相死區設置(2-5-5)邏輯綜合 處理輸出B相PWM信號；C相調製波與載波由C相比較器(2-5-3)進行比較，比較輸出的結 果經過C相死區設置(2-5-6)邏輯綜合處理輸出C相PWM信號。
5.根據權利要求1所述的高細分多路步進電機片上系統驅動器，其特徵在於，光耦隔 離電路(3)由三片光電耦合器並聯構成，每片光電耦合器具有兩路信號通道。
6.根據權利要求5所述的高細分多路步進電機片上系統驅動器，其特徵在於，所述光 電耦的型號為HCPL2631。
7.根據權利要求1所述的高細分多路步進電機片上系統驅動器，其特徵在於，驅動電 路(4)採用美國國際整流器公司生產的專用驅動晶片IR2130。
8.根據權利要求1所述的高細分多路步進電機片上系統驅動器，其特徵在於，電流互感器(6)採用北京霍遠科技有限公司的HCT206B。
全文摘要
高細分多路步進電機片上系統驅動器，屬於電機控制領域，本發明為解決現在步進電機存在低頻振蕩、高頻出力不足，以及無法滿足多個步進電機協調同時工作的問題。本發明的撥碼開關的輸出端接FPGA主控電路的輸入端，FPGA主控電路具有n路電機輸出埠，每路電機輸出埠接一路光耦隔離電路的輸入端，所述光耦隔離電路的輸出端接驅動電路的輸入端，驅動電路的輸出端接三相逆變橋的輸入端，三相逆變橋的三個輸出端分別為電機的三相驅動電流輸出端，三個電流互感器分別用於採集三相逆變橋的三個輸出端的輸出電流，每個電流互感器採集的步進電機的相電流信號輸出給過流保護電路，過流保護電路的輸出端接驅動電路的過流控制輸入端。
文檔編號H02P8/12GK101969291SQ20101052307
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月28日 優先權日2010年10月28日
發明者張振東, 朱敏, 李偉亮, 楊春玲, 陳宇 申請人:哈爾濱工業大學