摘要：研究二相混合式步進電機高性能驅(qū)動控制方法，實現(xiàn)減小低頻振蕩和改善矩頻特性的目的。在常用升降速控制技術(shù)的基礎(chǔ)上改進一種指數(shù)形式結(jié)合臺階模式的加減速控制方法。以Logistic增長方程為模型，提出一種基于調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動模式的電流補償控制算法，即電機的供電電壓實時跟蹤運行頻率的驅(qū)動方式。實驗結(jié)果顯著改善低頻穩(wěn)定性和矩頻特性，具有一定的研究和經(jīng)濟價值。
關(guān)鍵詞：步進電機；升降速控制；邏輯斯諦模型；電流補償
引言
步進電機是一種數(shù)字電機，具有無累積誤差、性價比高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)領(lǐng)域中。異于其他電機，步進電機必須使用驅(qū)動器才能工作。步進電機運行時存在低頻振蕩和矩頻特性，是設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)時必須考慮的兩大難題。另外，步進動電機需要有升降速過程才能運行平穩(wěn)。起動時，如果加在電機上的脈沖信號頻率過高，則會出現(xiàn)失步或振蕩，電機會抖動并有呼嘯聲。驅(qū)動器的性能影響著步進電機的發(fā)展前景，因此研究一種高性能步進電機驅(qū)動方法具有重要的實際意義。
1 驅(qū)動系統(tǒng)的原理與設(shè)計
本系統(tǒng)的設(shè)計方案采用調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式，系統(tǒng)的硬件電路按功能來劃分，主要包含以STM32F103為核心的主控模塊、功率驅(qū)動電路、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電源和電機電流檢測模塊。基本框圖如圖1所示。
驅(qū)動系統(tǒng)的核心是微處理器控制模塊。由STM32F103單片機及其外設(shè)電路組成，用于實現(xiàn)電機PWM時序信號的輸出、轉(zhuǎn)速和方向的控制、軟件控制算法的實現(xiàn)、與計算機通信等功能。增強型STM32單片機有80個GPIO口，高達72 MHz的內(nèi)部時鐘頻率的定時器，通過改變PWM的頻率實現(xiàn)電機速度的變化，完全滿足驅(qū)動的設(shè)計要求。
二相混合式步進電機需要雙極性驅(qū)動方式才能工作，即繞組在一個周期內(nèi)需要有正反兩個方向的電流流過。采用H橋電路可以很容易解決電機雙向通電的問題，二相步進電機需要8個開關(guān)管構(gòu)成兩個H橋，其中一相的H橋驅(qū)動電路如圖2所示。MOS管驅(qū)動采用驅(qū)動芯片L6384，2片L6384和4個功率MOSFET管IFR640構(gòu)成H橋。Q1、Q4和Q2、Q3輪流導(dǎo)通，繞組中的電流方向在周期內(nèi)不斷地改變。
可調(diào)電源電路采用專用集成PWM控制芯片SG3525實現(xiàn)。調(diào)頻調(diào)壓電路如圖3所示，控制信號PWM由J1輸入，實現(xiàn)光耦調(diào)節(jié)，與輸出信號共同反饋到SG3525的反相輸入端和補償端，用以改變11腳和14腳輸出的PWM的占空比，使得輸出穩(wěn)定。C1和R1為片內(nèi)振蕩器外接電容、電阻，可設(shè)定輸出PWM波的斬波頻率，本系統(tǒng)斬波頻率為60 kHz。11和14腳輸出PWM控制后級功率管的“開”和“關(guān)”，實現(xiàn)繞組充放電，設(shè)計中采用220 V的市電輸入，輸出 0～60 V／4 A。
2 升降速控制方式
若m相步進電機驅(qū)動脈沖的頻率為f，轉(zhuǎn)子有Zr個齒，則電機的轉(zhuǎn)速可 其中c=f1-f0，f1=a／b，常數(shù)b決定f-t曲線的變化規(guī)律，同樣也影響加減速的快慢。式(6)通常作為理論推導(dǎo)的最合適的升降速控制曲線，即指數(shù)加減速曲線。指數(shù)曲線是矩頻特性的一種近似，能很好地利用低頻轉(zhuǎn)矩恒定的優(yōu)勢，但是高速加速時仍會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩大幅度下降，導(dǎo)致加速至高速困難。為更好地利用指數(shù)曲線的優(yōu)點，彌補指數(shù)曲線的缺陷，提出指數(shù)形式結(jié)合臺階模擬加減速方式和快速臺階模式減速方式。整個加速和減速過程如圖4所示。加速和減速采用不同的曲線控制。加速分為兩段，首先利用指數(shù)形式加速快的優(yōu)點，當(dāng)達到一定速度時，再利用臺階模式加速，此處B點取目標(biāo)頻率的80％，加速過程中的臺階比較密，易于電機加速；減速過程中只采用臺階形式減速，因為電機具有定位力轉(zhuǎn)矩特性，取fm的20％作為一個臺階，電機不會發(fā)生過沖，復(fù)雜的減速控制曲線反而會影響減速時間。
臺階法在軟件編程中易于實現(xiàn)，加減速時間得到了有效控制。減速和加速采用同一個曲線會影響減速時間，合理利用步進電機的定位轉(zhuǎn)矩特性，可使電機快速地停止，提高電機的效率。
3 電流補償控制
常用的斬波恒流驅(qū)動方式的原理是采用電流波形補償控制技術(shù)，只不過參考電流是固定值，參考文獻和提出了改變電流參考波形的補償控制技術(shù)，在繞組供給值較小時，通過自動切換參考電流波形的方式實現(xiàn)增大高頻牽出轉(zhuǎn)矩。本文在研究該技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于調(diào)頻調(diào)壓方式的實時電流補償控制方法。不僅提高高頻性能，在電機低速時也能迅速降低注入繞組的電流，保證低頻平穩(wěn)運行。
二相混合式步進電機給定的半步工作方式的理想?yún)⒖茧娏鞑ㄐ稳鐖D5所示，電流能達到設(shè)定值ia。但是由于繞組是感性元件，實際電流的波形如圖6所示，不是完全的方波形式，圖中的陰影部分是電流減少的部分。這種現(xiàn)象隨著電機運行頻率的增大變得更加明顯。當(dāng)電機的頻率達到電機臨界值時，電機進入電流不可控頻段，陰影部分的面積急速劇增，電機轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)明顯下降。
如圖7陰影部分所示，電機高頻運行時，為使電機繞組在短時間內(nèi)仍能獲得足夠驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的能量，在原先設(shè)定的電流波形的基礎(chǔ)上額外增加供給電流，補償減少的部分，提高相應(yīng)的牽出轉(zhuǎn)矩。低頻時，為防止電流過剩，導(dǎo)致低頻振蕩，實時減少電流供給，如圖8陰影部分所示。
保證電流的有效補給，f與u的變化呈現(xiàn)一個非線性關(guān)系模型，并與Logistic生物增長模型近似逼近。邏輯斯諦是一類非線性回歸模型，提出這個模型的初衷是為了解釋新物種在生態(tài)系統(tǒng)的增長變化趨勢。當(dāng)一個物種遷徙到一個陌生的生態(tài)系統(tǒng)，而且該物種的起始總數(shù)量小于新的生態(tài)系統(tǒng)的最大容納量，則數(shù)量會增長，增長趨勢滿足邏輯斯諦方程。Logistic模型表達式為
式中x是自變量，y是x的函數(shù)，a、β、k是待定的常數(shù)。
物種到達一個新環(huán)境后的增長趨勢如圖9所示。從最初的起始值增長至平衡值，即式(7)中的常數(shù)a；β決定初始值的大小，β大于0時起始值落于最大值的下方，等于0時y為一條直線，小于0時起始值大于最大值a；而k是增長快慢的常數(shù)，k越大增長速度越快，且k只能為正數(shù)。
電機的繞組電壓與頻率的最佳曲線關(guān)系如圖10所示。
由此得出電壓和頻率的驅(qū)動方程。
式中f為頻率，u為電壓，a、b和c為驅(qū)動系數(shù)，e為自然對數(shù)的底數(shù)。在f的增大過程中，u的變化趨勢是先緩慢，再急劇，最后慢慢趨近于a，即設(shè)定的最大驅(qū)動電壓值。
4 實驗與結(jié)論
電機選用無錫三拓二相混合式步進電機57HS5125A4，額定電流2．5 A，最高起動頻率約為200 Hz，步距角1．8°。若PWM最終信號頻率設(shè)置為500 Hz，則f=0．8×500 Hz=400 Hz。在加速至400 Hz時采用臺階緩慢升速；減速過程由20％余量的臺階實現(xiàn)。選取合適的b值可以確定加速時間，b取0．05，加速時間約為0．3 s，減速時間為0．05 s，加速不失步，上升快而穩(wěn)，是一種比較合適的升速曲線；減速沒有過沖現(xiàn)象。二者形成最佳升降速控制曲線。
該設(shè)計方案已做成實物并在使用之中，測得某一相繞組電壓和頻率之間的波形變化關(guān)系，如圖11所示。頻率和電壓采用邏輯斯諦模型電壓控制方式，繞組脈沖信號的頻率越高，供電電壓也越來越高，電流實時補償，波形毛刺較小，驗證了本方案的正確性。
經(jīng)過測試及長時間使用證明，該驅(qū)動器具有低頻穩(wěn)定、高速有轉(zhuǎn)矩、適用范圍廣、工作可靠和矩頻特性較好等優(yōu)點，現(xiàn)已投入實際使用。
下載文檔
