混合式步进电机驱动的实现
混合式步进电机驱动的实现
1 前言 近些年，先进制造技术获得挺大转型。殊不知中国各类机械加工厂家的设施如铣床、车床、刨床、镗床等有相等于大的部位都還是维持着手工制作一般数控车床的方式。由此可见，乃是世界各国数控机床的利润依然较高，没法在短期内内支出到全方位的旧设备改造中。中国各机床厂家特别是在是大中小型机床厂的数控机械大部分依靠進口，使生产成本维持较高，厂商的盈利较低。对于这种情况，及其各类专机的配建难易度很大等难题，设计规划出这种质优价廉，特性较高的数控机床，终将对加速中国机诫制造业，数控车床生产业的发展具有必须的积极意义。步进电机厂商提起这种运用于合理性加工中心设备的控制器设备的布置工艺。在稿子中对列举重要布置工艺开展了论述。该控制器设备是由选用正弦波交流电PWM控制器方法保持的电机驱动器和相电压混合式步进电机组成。该控制器设备选用了这种交流电反馈控制、部位开环、并可自动开展部位偏差效正的的控制器方法。控制器包括了主电路、定子交流电转化成集成运放、IPM电力电子器件及光耦电路、霍尔电流传感器和交流电反馈控制集成运放等。 本文概述了该控制器在合理性数控机床中的运用，实践经验，该体系具备系统配置低成本、线性度高、运作噪声低和方便使用等特性。
步进电机
2 正弦交流电控制器混合式电机驱动器结构设计 数控车床的伺服控制器体系是联接加工中心控制板和数控车床内在(机诫部位)的重要。它接纳体系插补操纵的部位命令脉宽，历经变大和变换控制器数控车床上的电动执行器(滑台或刀台)，保持预估的运功。其作用直接关系到数控车床电动执行器的静静态特点、工做精密度、体系的可靠性。加工中心行业的控制器伺服控制系统一般选用各类电动机保持。在微型和中高档数控机床普遍应用步进电机，在中高档数控车床一般应用交、直流伺服电机。人们对于中高档数控车床和一般数控车床改建的实际情况研发了这种协调相电压混合式步进电机的伺服控制器设备。 对一般的相电压反应式步进电机一般选用的控制方法相电压三拍，相电压六拍，相电压双三拍等，热效率电路选用高压低压双电源型、恒流斩波型、调频调压型等，其本质上都会归入单化学性质电流方波控制方法。而对混合式步进电机彻底能够选用相近交流伺服电机的洽谈定频控制方法执行操纵。混合式步进电机的定子是由永磁体做成，上边联合分布指导意见小齿，定子绕阻配有励磁绕阻。当励磁定子绕阻中根据1个电期限的波型返回初始状态时，定子掉转1个齿距即1个步距角。当选用N步分类操纵时，当键入N个步进脉宽时才等于运作1个电期限，电动机旋转1个步距角。毫无疑问，分类操纵能够改进电动机的高低频距频特点，摆脱高频波动、高頻失步得到优良的运作特点。人们布置的步进电机控制器设备也是这种选用了洽谈伺服机理的分类控制器。图1为该控制器设备的机理框图。
2.1 主电路 主电路如图2如图，它选用了交-直-交型集成运放，交流电部位选用降血压型斩波调压集成运放。市电最先经整流桥整流、电感滤波后获得交流电压，随后经斩波旋钮管降血压，再传至相电压桥式逆变电源变为调频调压的交流电压，輸出到步进电机的相电压定子绕阻。逆变电源的旋钮序列由交流电闭环控制集成运放操纵，产生相电压正弦台阶波。混合式步进电机在逆变电源操纵下产生旋转。 因为步进电机的绕阻是电感线圈，在静态时存有必须的衔接時间。它促使电力电子器件在接入、关断时交流电不可以基因变异，即便本控制板存有交流电反馈控制缓冲作用，在高頻运作时交流电环的响应时间未尝追随给出运作速率頻率，这促使高頻时交流电平均值缩小，輸出扭矩降低。电动机距频特点在高頻时变松。 为确保高頻时扭矩，布置了頻率追随调压集成运放。保持高频时较低的相电压，高頻时较高的相电压。 图3中，旋钮管做为斩波管，选用PWM方式保持定子电流的调整。控制器输入脉冲进到F/V频压变换器转化成与頻率正相关的交流电压讯号，再与三角波较为获得PWM讯号，操纵斩波旋钮管的导通，从而实现电动机绕阻电流的追随调整.
2.2 部位脉宽插口及定子交流电参照波型转化成集成运放 集成运放中有2个级连的8位可逆计数器。他们的輸出组成三片EPROM的地址总线。数控机床传出的部位命令步进脉宽根据光电耦合器联接到底位可逆计数器的钟表键入端，方位操纵讯号联接到2个可逆计数器的举升记数操纵端，快进差分信号收到箱顶可逆计数器的钟表键入端。当方位操纵讯号为高电平时，每一步进脉宽使EPROM的地址总线增一，每一快进脉宽使EPROM的地址总线增16，即等于16个步进脉宽;当方位操纵讯号为低电平时，每一步进脉宽使EPROM的地址总线减一，每一步进脉宽使EPROM的地址总线减16。两块计数器的记数范畴0-63335，因此可寻址范畴为0-65535。该64K内存空间储放着相匹配某类分类度的交流电参照波型表数剧。表1中的数剧是部位分类度的相匹配的数剧。当箱顶地点线联接到拨码开关时能够挑选好几个细成绩。
在每个64K空间中，细分数越多，对应的电流波形频率越低于三相混合式步进电机的伺服驱动，需要设置三片EPROM，分别存放A相，B相，C相电流的参考波形，IA作为基准波形，IB滞后IA 120°，IC滞后IB 120°;也可用两片EPROM存放两相的电流波形，通过合成的方法得到第三相电流的参考波形。三相电流通过D/A转换器输出模拟交流电压波形，此波形就作为电流环电路的给定参考波形.2.3 电流闭环PWM及死区电路 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降，通过恒流方式可以使在电机低频和高频时保持同样的相电流从而使高频的力矩特性有所改善;该电路将给定的正弦电流参考波形和经过霍尔电流传感器反馈的实际定子电流波形通过比较器进行比较，其结果形成的PWM波形控制变频电路开关器件的导通和关断。 为防止同一桥臂两个开关管特性不一致造成的短路，设置了死区电路，如图5所示。该电路由电阻电容构成的RC环节和一个快速恢复二极管构成。当触发脉冲由低向高变化时，经过RC充电延时，推迟触发开关管的时间，当触发脉冲由高向低变化时，电容C上的电荷通过二极管迅速放掉，加快关闭开关管的时间。这样形成一种触发延时，关闭即时的驱动方式，保证同一桥臂上下两个开关管不会同时导通。通过调整RC充电时间常数可以调整不同死区时间。 由于霍尔传感器的动态响应时间小于1μs，跟踪速度di/dt高于50A/μs，而且功率器件(IPM)工作频率很高，可以使系统响应非常快，对负载及参数变化不敏感。这个环节使得在每一个步进脉冲周期内，通过一系列功率器件的开关动作使定子电流逼近正弦电流参考波形，电机转动一细分步。同时，由于功率元件开关频率通常在几百kHz以上，使得运行时产生的噪音较低。 在数控系统中的应用 图6是一种应用于车床数控系统的例子。系统控制器包含一块工业PC作为主控单元、一块自制多功能接口卡(MIC)、CRT显示器、操作面板。PC上运行实时调度程序实现机械零件加工程序的编辑、查错、预处理、离线仿真等并完成实时插补。插补结果作为数据以DMA方式发送到MIC上并发送给驱动装置。MIC由用于脉冲输出的基于89C51的单片机系统、用于主轴编码器手轮编码器的四倍频电路、可逆计数器、和一些与机床电器电路接口的数字输入输出接口组成。开环运动系统在长期运行中不可避免的存在的积累误差。这个系统通过定期校验步进电机的z脉冲位置实现积累误差消除。 该系统采用的步进电机是110B
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