1 概述 混合式步進電機是一種集成了反應式和永磁式兩種步進電機優(yōu)點的新型電機，在國外已經(jīng)成為主流產(chǎn)品，國內(nèi)目前也開始大面積的進入工業(yè)控制領域，逐步取代反應式步進電機。步進電機與伺服電機比較一個較大優(yōu)勢就是價格低廉，運行無累積誤差，但同時也存在著高速輸出轉(zhuǎn)矩下降明顯，低速震動大等缺點，通過驅(qū)動技術的革新，可以克服步進電機的這些缺點。 目前國內(nèi)兩相系列混合步進電機驅(qū)動器大都采用恒流斬波驅(qū)動方式,采用正弦波細分電流控制。恒流斬波驅(qū)動能很好的解決電機在鎖定、低頻和高頻時保持輸出額定轉(zhuǎn)矩，因此應用較為廣泛;采用正弦波細分電流控制技術，可以大幅度改善步進電機的運行品質(zhì)，減少轉(zhuǎn)矩波動，抑制震蕩，降低噪音，同時也提高了步距分辨率。 2 電機驅(qū)動原理 混合式步進電機驅(qū)動器的控制原理如圖1所示，包括信號輸入、邏輯控制、驅(qū)動輸出、反饋電路等。脈沖、方向等信號通過光隔離電路進入控制芯片，具有隔離電路的驅(qū)動器可很好的解決外界干擾信號進入電路內(nèi)部，在運行環(huán)境比較復雜的加工場合也可以正常使用;反饋電路生成的PWM信號經(jīng)控制芯片處理后產(chǎn)生最終的功率管開關控制信號，實現(xiàn)了斬波驅(qū)動。保護電路能及時將過壓、過流等故障信號輸入到控制芯片進行處理，迅速關斷功率管，保證驅(qū)動器不被損壞。 [/align] 3 電流矢量細分驅(qū)動原理 通過兩相混合步進電機兩個線圈的電流相位差90°，如果分別輸入相位差90°的正弦波形，可實現(xiàn)細分驅(qū)動。如圖2所示，通過線圈的空間矢量電流ia,ib隨角度變化時，其合成的電流矢量幅值恒定，且也隨著變化相應的角度。這樣采用細分后，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)，電機就可以實現(xiàn)恒力矩、均勻步距角細分驅(qū)動。如果對繞組電流細分劃分的足夠細，可實現(xiàn)較精確的微步控制。 4 CPLD系統(tǒng) 4.1 CPLD硬件電路設計 驅(qū)動器硬件電路控制流程如圖3，上電后CPLD先將方向信號和細分設置讀入，將各引腳進行初始化。驅(qū)動器通過采樣電阻檢測到的實際電流與給定的電流進行比較，形成的斬波信號送回到CPLD芯片中處理，再通過功率驅(qū)動接口電路控制功率器件的通斷，這樣實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)動器工作時，為了減少外部信號干擾對內(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,完全滿足脈沖信號輸入頻率,用光敏三極管的導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)動電路 集成功率芯片具有合理的內(nèi)部設計和復合保護電路，可以增加工作的可靠性，而且電路布局合理，外圍電路簡單，可外加散熱片解決散熱問題。設計者可按需求選擇不同的集成芯片。IR公司的IR2110驅(qū)動芯片，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，其高端工作電壓可達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，邏輯信號可兼容3.3V，可方便與TTL、CMOS電平匹配;工作頻率可達500KHz;開關延時小，圖騰柱輸出峰值電流為2A;典型應用電路如圖5。 IR2110的諸多優(yōu)點，給電路設計帶來極大的方便，特別是高壓側(cè)自舉懸浮驅(qū)動原理，可以實現(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,直接應用VHDL語言比較普遍。兩相混合式步進電機必須采用雙極性電源供電，電機相繞組中有時要通正向電流，有時需要反相電流，既采用H橋驅(qū)動。把步進指令脈沖按一定的邏輯分配給步進電機各相， 是步進電機按要求運行的關鍵所在。圖5為經(jīng)QuartusII仿真后的兩相勵磁狀態(tài)輸出。 基于CPLD的兩相步進電機控制器具有設計靈活方便、通用性強和性能可靠的突出特點。經(jīng)測試,它能很好的控制兩相步進電機。 5 產(chǎn)品系列 樂創(chuàng)自動化技術有限公司生產(chǎn)的DMD系列兩相混合步進驅(qū)動器有DMD402，DMD402A，DMD403，DMD403A，DMD808，DMD808A等多種型號，輸出電流范圍0.25A-7.7A，驅(qū)動電壓范圍24V-90V，適合驅(qū)動42mm、56mm、86mm等機座號的兩相或四相混合式步進電機。其主要性能有： （1）雙極恒流斬波方式，斬波頻率20K； （2）光電隔離信號輸入； （3）輸入信號TTL兼容； （4）可自動半流功能； （5）電流及細分設定方便，細分數(shù)最高可達256； （6）部分型號具有單、雙脈沖選擇輸入方式； （7）脫機功能； （8）過流、過壓保護； （9）通用的外觀，便于安裝使用； （10）低噪音、效率高、震動小、運行性能良好。 A系列驅(qū)動器是采用CPLD技術控制，具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高、功能強大等優(yōu)勢。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，同時降低了分立器件帶來的干擾問題，電機震動和噪音明顯減小，也便于調(diào)試和維護。納秒級的處理速度在高速控制中有明顯的優(yōu)勢，電機運行平穩(wěn)、噪音很??；同時也提高了驅(qū)動器的可靠性，在外部故障信號觸發(fā)時，處理器可快速做出響應，以保護驅(qū)動器的安全。 6 總結(jié) 樂創(chuàng)自動化技術有限公司研制的兩相混合式步進電機驅(qū)動器具有技術先進、功能齊全、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應用于數(shù)控機床、專用焊接設備、小型雕刻機、激光打標機、氣動打標機、激光切割機、機械手、點膠機等領域。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集