1 概述 混合式步進(jìn)電機(jī)是一種集成了反應(yīng)式和永磁式兩種步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的新型電機(jī)，在國(guó)外已經(jīng)成為主流產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)目前也開始大面積的進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，逐步取代反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)比較一個(gè)較大優(yōu)勢(shì)就是價(jià)格低廉，運(yùn)行無累積誤差，但同時(shí)也存在著高速輸出轉(zhuǎn)矩下降明顯，低速震動(dòng)大等缺點(diǎn)，通過驅(qū)動(dòng)技術(shù)的革新，可以克服步進(jìn)電機(jī)的這些缺點(diǎn)。 目前國(guó)內(nèi)兩相系列混合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器大都采用恒流斬波驅(qū)動(dòng)方式,采用正弦波細(xì)分電流控制。恒流斬波驅(qū)動(dòng)能很好的解決電機(jī)在鎖定、低頻和高頻時(shí)保持輸出額定轉(zhuǎn)矩，因此應(yīng)用較為廣泛;采用正弦波細(xì)分電流控制技術(shù)，可以大幅度改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，抑制震蕩，降低噪音，同時(shí)也提高了步距分辨率。 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制原理如圖1所示，包括信號(hào)輸入、邏輯控制、驅(qū)動(dòng)輸出、反饋電路等。脈沖、方向等信號(hào)通過光隔離電路進(jìn)入控制芯片，具有隔離電路的驅(qū)動(dòng)器可很好的解決外界干擾信號(hào)進(jìn)入電路內(nèi)部，在運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜的加工場(chǎng)合也可以正常使用;反饋電路生成的PWM信號(hào)經(jīng)控制芯片處理后產(chǎn)生最終的功率管開關(guān)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了斬波驅(qū)動(dòng)。保護(hù)電路能及時(shí)將過壓、過流等故障信號(hào)輸入到控制芯片進(jìn)行處理，迅速關(guān)斷功率管，保證驅(qū)動(dòng)器不被損壞。 [/align] 3 電流矢量細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理 通過兩相混合步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)線圈的電流相位差90°，如果分別輸入相位差90°的正弦波形，可實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)。如圖2所示，通過線圈的空間矢量電流ia,ib隨角度變化時(shí)，其合成的電流矢量幅值恒定，且也隨著變化相應(yīng)的角度。這樣采用細(xì)分后，各相電流階梯變化，并按照正弦和余弦規(guī)律變化，使合成的電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)，電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)恒力矩、均勻步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)。如果對(duì)繞組電流細(xì)分劃分的足夠細(xì)，可實(shí)現(xiàn)較精確的微步控制。 4 CPLD系統(tǒng) 4.1 CPLD硬件電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)器硬件電路控制流程如圖3，上電后CPLD先將方向信號(hào)和細(xì)分設(shè)置讀入，將各引腳進(jìn)行初始化。驅(qū)動(dòng)器通過采樣電阻檢測(cè)到的實(shí)際電流與給定的電流進(jìn)行比較，形成的斬波信號(hào)送回到CPLD芯片中處理，再通過功率驅(qū)動(dòng)接口電路控制功率器件的通斷，這樣實(shí)際電流就隨著給定電流的有規(guī)律的變化。 4.1.1 光耦隔離電路 驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，為了減少外部信號(hào)干擾對(duì)內(nèi)部電路的干擾，通常采用光耦隔離輸入的辦法。按照輸入信號(hào)頻率的不同，我們采用HCPL-2531光隔離耦合器，2531具有1MBit/s的轉(zhuǎn)換能力,完全滿足脈沖信號(hào)輸入頻率,用光敏三極管的導(dǎo)通特性及輸出端上拉電阻,使得輸出與輸入同電平，硬件電路如圖4。 4.1.2 功率驅(qū)動(dòng)電路 集成功率芯片具有合理的內(nèi)部設(shè)計(jì)和復(fù)合保護(hù)電路，可以增加工作的可靠性，而且電路布局合理，外圍電路簡(jiǎn)單，可外加散熱片解決散熱問題。設(shè)計(jì)者可按需求選擇不同的集成芯片。IR公司的IR2110驅(qū)動(dòng)芯片，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，其高端工作電壓可達(dá)500V，靜態(tài)功耗小;輸出端電壓范圍10-20V;邏輯電源電壓范圍5-15V，邏輯信號(hào)可兼容3.3V，可方便與TTL、CMOS電平匹配;工作頻率可達(dá)500KHz;開關(guān)延時(shí)小，圖騰柱輸出峰值電流為2A;典型應(yīng)用電路如圖5。 IR2110的諸多優(yōu)點(diǎn)，給電路設(shè)計(jì)帶來極大的方便，特別是高壓側(cè)自舉懸浮驅(qū)動(dòng)原理，可以實(shí)現(xiàn)只用一組電源供電。 4.2 VHDL語言編程仿真 目前比較常用的EDA軟件是MAXPLUSII或者QuartusII仿真編程軟件,其編程輸入形式有多種,直接應(yīng)用VHDL語言比較普遍。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)必須采用雙極性電源供電，電機(jī)相繞組中有時(shí)要通正向電流，有時(shí)需要反相電流，既采用H橋驅(qū)動(dòng)。把步進(jìn)指令脈沖按一定的邏輯分配給步進(jìn)電機(jī)各相， 是步進(jìn)電機(jī)按要求運(yùn)行的關(guān)鍵所在。圖5為經(jīng)QuartusII仿真后的兩相勵(lì)磁狀態(tài)輸出。 基于CPLD的兩相步進(jìn)電機(jī)控制器具有設(shè)計(jì)靈活方便、通用性強(qiáng)和性能可靠的突出特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試,它能很好的控制兩相步進(jìn)電機(jī)。 5 產(chǎn)品系列 樂創(chuàng)自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DMD系列兩相混合步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器有DMD402，DMD402A，DMD403，DMD403A，DMD808，DMD808A等多種型號(hào)，輸出電流范圍0.25A-7.7A，驅(qū)動(dòng)電壓范圍24V-90V，適合驅(qū)動(dòng)42mm、56mm、86mm等機(jī)座號(hào)的兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。其主要性能有： （1）雙極恒流斬波方式，斬波頻率20K； （2）光電隔離信號(hào)輸入； （3）輸入信號(hào)TTL兼容； （4）可自動(dòng)半流功能； （5）電流及細(xì)分設(shè)定方便，細(xì)分?jǐn)?shù)最高可達(dá)256； （6）部分型號(hào)具有單、雙脈沖選擇輸入方式； （7）脫機(jī)功能； （8）過流、過壓保護(hù)； （9）通用的外觀，便于安裝使用； （10）低噪音、效率高、震動(dòng)小、運(yùn)行性能良好。 A系列驅(qū)動(dòng)器是采用CPLD技術(shù)控制，具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高、功能強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)。另外，CPLD引腳資源豐富、使用靈活，可將外部分立的數(shù)字芯片功能集成到CPLD內(nèi)部中，不但優(yōu)化了電路，同時(shí)降低了分立器件帶來的干擾問題，電機(jī)震動(dòng)和噪音明顯減小，也便于調(diào)試和維護(hù)。納秒級(jí)的處理速度在高速控制中有明顯的優(yōu)勢(shì)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音很?。煌瑫r(shí)也提高了驅(qū)動(dòng)器的可靠性，在外部故障信號(hào)觸發(fā)時(shí)，處理器可快速做出響應(yīng)，以保護(hù)驅(qū)動(dòng)器的安全。 6 總結(jié) 樂創(chuàng)自動(dòng)化技術(shù)有限公司研制的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、專用焊接設(shè)備、小型雕刻機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)、激光切割機(jī)、機(jī)械手、點(diǎn)膠機(jī)等領(lǐng)域。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集