專利名稱：步進(jìn)電機平滑驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混和式步進(jìn)電機平滑驅(qū)動技術(shù)，尤其是對步進(jìn)電機三相正弦
波PWM的產(chǎn)生和PWM波的死區(qū)控制方式的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
步進(jìn)電動機是一種將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為位移(或直線位移)的機電執(zhí)行元 件。每當(dāng)輸入一個脈沖時，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)軸便轉(zhuǎn)過一個固定的機械角度，在數(shù) 字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)步進(jìn)電機要求更小的步進(jìn)角和更高的分 辨率時，可通過改變定子繞組電流來實現(xiàn)。繞組電流給定采用經(jīng)量化處理后 的正弦波并分段切入，將繞組電流給定與反饋進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果決 定該相繞組的通斷，最終得到正弦化的定子繞組電流，這時則要求產(chǎn)生相位
差是嚴(yán)格的2冗，大小一樣的三相正弦波電流信號，從而才能產(chǎn)生完全相同的 3
三相PWM信號。
目前，在三相橋式電路中為避免同一橋臂上下開關(guān)的直通必須設(shè)置足夠 的死區(qū)時間(死區(qū)就是使同相的上下橋臂驅(qū)動信號錯開一個死區(qū)時間，防止 功率器件短路)，而實際應(yīng)用中對死區(qū)的要求很嚴(yán)格。當(dāng)死區(qū)時間過短時，同 相的上下橋臂驅(qū)動信號不能完全的錯開，功率器件容易短路，從而會損害功 率模塊；當(dāng)死區(qū)時間過長的時候，步進(jìn)電機上下橋臂就會長時間沒有電流通 過，這樣會使電機驅(qū)動能力降低。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的任務(wù)是提出一種步進(jìn)電機平滑驅(qū)動方法，以提高步進(jìn)電機的三相PWM信號的準(zhǔn)確性，提高電機運行的平穩(wěn)性能。
為完成上述任務(wù)，本發(fā)明提供了一種步進(jìn)電機平滑驅(qū)動方法，先用單片
機和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩路相位差是^;r的正弦波電流，第三路信號由前面兩路
合成產(chǎn)生，最終產(chǎn)生出三相幅值相等，相位差是#冗，完全一樣的正弦波電流。
用單片機和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩路相位差是l;r ，幅值相等的正弦波電流信
號VOA和VOB，先將正弦波信號VOA、 VOB和功率驅(qū)動模塊(PS21564)
反饋正弦波信號VOC、 VOD進(jìn)行對應(yīng)差分，生成的差分信號再分別經(jīng)過抽樣
模塊由基準(zhǔn)三角波抽樣，抽樣后的信號再分別經(jīng)過反向器整形就得到PWM1、
PWM3信號；將VOA 、 VOB和VOC、 VOD共用加法器U-2經(jīng)過加法運算，
VOA 、 VOB相加后生成和VOA、 VOB相位順次相差2;r的正弦信號，如公
3
式(1)所示的-sin("-4乂)，同時VOC和VOD也進(jìn)行和VOA、 VOB相同 的運算，合成反饋的第三相信號，然后-^("-4乂)和反饋的第三相信號進(jìn)行 差分，通過反向器U-5反向，再經(jīng)過基準(zhǔn)三角波抽樣電路U-8和電流整形調(diào) 節(jié)模塊U-10后得到所需要的PWM2信號。
各PWM信號在CPLD里面進(jìn)行死區(qū)控制，在CPLD里面對輸入的PWM 波形進(jìn)行處理，把u—in轉(zhuǎn)換成u—down和u_up兩相，其中u—down的上升沿 和u—in的一樣，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延遲幾個微秒；u—down的 下降沿要比u—in的下降沿延時幾個微秒，u—up的上升沿要和u—in的下降沿一 致； v in、 w in的處理方式同u in。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明方法的有益效果表現(xiàn)在
1、本改進(jìn)技術(shù)方法可以使混和式步進(jìn)電機運行的平穩(wěn)性能得到很大的提 高。而已有的技術(shù)中，為了得到三相信號完全一樣的PWM波，相對要求嚴(yán)格的三相正弦波的產(chǎn)生大都是用信號發(fā)生器產(chǎn)生三路信號，這樣子很難保證他 們的相位差是嚴(yán)格的l;r，而且本改進(jìn)方法電路設(shè)計簡單，成本較低。
2、對驅(qū)動模塊的死區(qū)控制進(jìn)行改進(jìn)，死區(qū)的精度控制有很大的提高，死 區(qū)的時間更好的控制，對于不同的驅(qū)動模塊，可以根據(jù)實際需要設(shè)定死區(qū)的 時間，使該驅(qū)動器具有更好的通用性。


圖l為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2為三相PWM波產(chǎn)生電路圖3為CPLD的波形仿真圖。
具體實施例方式
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的措施
參見圖1，在系統(tǒng)的結(jié)框圖中，針對本改進(jìn)方法主要介紹的是
ATTINY2313、 D/A轉(zhuǎn)換器、信號合成電路和邏輯合成單元。 對圖l說明
脈沖信號(CP+/CP-):每個脈沖上升沿使電機轉(zhuǎn)動一步，最小脈沖22.5^，
最高接受頻率200KHz。
方向信號(CW+/CW-):單脈沖控制方式時為方向控制信號輸入接口， cw
為低電平時電機順時針旋轉(zhuǎn)，CW為高電平時電機逆時針旋轉(zhuǎn)。雙脈沖控制方 式時為反轉(zhuǎn)步進(jìn)脈沖信號輸入口。
細(xì)分功能選擇(FINE):當(dāng)FINE為高電平時，細(xì)分功能有效，當(dāng)FINE為 高低平時，細(xì)分功能無效。
脫機信號輸入(FREE+/FREE-):脫機+與脫機-之間分別加高低電平，電機無相電流，電機繞子處于不穩(wěn)定的自由狀態(tài)；反之脫機+與脫機-之間分別加 相同電平或不接，電機處于鎖定狀態(tài)。
報警信號輸出(ERR):報警信號輸出接口。
光電耦合對從RS232來的信號進(jìn)行濾波，整形。
ATTINY2313: AVR單片機，和D/A轉(zhuǎn)換器一起把脈沖信號變成正弦波 信號。
基準(zhǔn)三角波發(fā)生器產(chǎn)生基準(zhǔn)的三角波，用來合成PWM波。
10MHz晶振10MHz有源晶振，為單片機和CPLD提供時鐘頻率。
XC9572CPLD:死區(qū)控制單元，控制電機三相電流的導(dǎo)通和截至?xí)r間。
整流器和開關(guān)電源通稱為電源模塊，產(chǎn)生電機、功率驅(qū)動器的電壓值。
功率驅(qū)動電路以PS21564為核心的模塊，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。
信號合成電路把D/A生成的正弦信號、電流反饋信號和基準(zhǔn)三角波信
號合成電機運行需要的PWM信號。
本改進(jìn)技術(shù)的特點在于產(chǎn)生三相幅值相等，相位差是^;r的正弦波電流
3
時，我們只用單片機和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩路相位差是且;r的正弦波電流，第三
3
路信號由前面兩路產(chǎn)生，產(chǎn)生的電路如圖2。只生成兩路信號，對單片機的性 能要求會低一些，同時保證相位差是|"，這樣才能生成三相完全一樣的PWM波形。
本改進(jìn)技術(shù)的特點也在于在三相橋式電路中為避免同一橋臂上下開關(guān)的 直通必須設(shè)置足夠的死區(qū)時間，系統(tǒng)是在CPLD里面進(jìn)行死區(qū)控制。采用 CPLD的控制方式后，死區(qū)的精度有很大的提高，死區(qū)的時間更好的控制，對 于不同的驅(qū)動模塊，可以自由的設(shè)定死區(qū)的時間，使該驅(qū)動器具有更好的通用性。而且CPLD的價格比較便宜，對比以前的用模擬電路來進(jìn)行死區(qū)控制 而言，降低了成本。
參見圖2，當(dāng)單片機和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩路相位差是^;r，幅值相等的正
3
弦波電流信號(VOA和VOB)時，在U-1中正弦波信號VOA和功率驅(qū)動模塊 (PS21564)反饋正弦波信號VOC進(jìn)行差分，生成的差分信號經(jīng)過抽樣模塊 U-4，在U-4中由10.2K的基準(zhǔn)三角波抽樣，抽樣后的信號再經(jīng)過反向器U-7 的整形就得到PWM1信號。同理，正弦波信號VOB和功率驅(qū)動模塊(PS21564) 反饋的正弦波信號VOD在U-3， U-6， U-9中進(jìn)行同樣的運算，生成PWM3 信號。
下面著重介紹PWM2信號的生成，首先看下面的公式(1)禾n (2):
sin(a) + sin(" —= 2sin
=2sin("-義^os(么)二 sin("-么)=—sinl
a + a
.2;r/
cos
"—"+
2;zv
(i)
即
sin "
.化/
sin(a) + sin(" —
假設(shè)VOA是sin(cO， VOB是sin("-l;r)，則我們想得到的是sin("+)信
號，由上面的兩個公式可知，用一個加法器U-2和一個反向器U-5就可以得 到。同時，假如反饋信號VOC是sin(/ )， VOD是sin(/ 」;r)，他們的第三相信 號sin(/ -l^r)也可以由上面的式子得到，這樣我們就讓他們同時共用加法器 U-2和反向器U-5，同時各自生成的第三相信號進(jìn)行差分，得到差分信號，再 經(jīng)過基準(zhǔn)三角波抽樣電路U-8和電流整形調(diào)節(jié)模塊U-10后得到所需要的 PWM2信號。這樣做的好處是能夠生成驅(qū)動模塊所需的PWM信號，使電機 運行的平穩(wěn)性能有了很大的提高。用簡單的電路來實現(xiàn)PWM信號，可以提高
(2)信號生成的速度，實時性好。
本改進(jìn)技術(shù)的特點也在于在三相橋式電路中為避免同一橋臂上下開關(guān)的 直通必須設(shè)置足夠的死區(qū)時間，改進(jìn)的系統(tǒng)死區(qū)控制是在CPLD內(nèi)完成。參
見圖3，在CPLD里面對輸入的PWM波形進(jìn)行處理，對u—in、 v—in、 w—in做 同樣的處理，把u—in轉(zhuǎn)換成u—down和u—up兩相，其中u—down的上升沿和 u—in的一樣，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延遲幾個微秒；u—down的下 降沿要比u—in的下降沿延時幾個微秒，u—up的上升沿要和u一in的下降沿一致。 采用這樣的方式控制后，精度有很大的提高，死區(qū)的時間更好的控制，對于 不同的驅(qū)動模塊，可以自由的設(shè)定死區(qū)的時間，使該驅(qū)動器具有更好的通用 性，而且CPLD的價格比較便宜，對比以前的用模擬電路來進(jìn)行死區(qū)控制而 言，降低了成本。
權(quán)利要求
1、一種步進(jìn)電機平滑驅(qū)動方法，其特征在于，先用單片機和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩路相位差是 id="icf0001" file="A2008100498870002C1.tif" wi="6" he="9" top= "38" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的正弦波電流，第三路信號由前面兩路合成產(chǎn)生，最終產(chǎn)生出三相幅值相等，相位差是 id="icf0002" file="A2008100498870002C2.tif" wi="8" he="9" top= "49" left = "93" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>完全一樣的正弦波電流。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機平滑驅(qū)動方法，其特征在于，用單片機和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩路相位差是2;r ，幅值相等的正弦波電流信號VOA和3VOB，先將正弦波信號VOA、 VOB和功率驅(qū)動模塊(PS21564)反饋正弦波信號VOC、 VOD進(jìn)行對應(yīng)差分，生成的差分信號再分別經(jīng)過抽樣模塊由基準(zhǔn)三角波抽樣，抽樣后的信號再分別經(jīng)過反向器整形就得到PWM1、 PWM3信號；將VOA 、 VOB和VOC、 VOD共用加法器U-2經(jīng)過加法運算，VOA 、VOB相加后生成和VOA、 VOB相位順次相差^;r的正弦信號，即<formula>formula see original document page 2</formula>同時VOC和VOD也進(jìn)行和VOA、 VOB相同的運算，合成 反饋的第三相信號，然后<formula>formula see original document page 2</formula>和反饋的第三相信號進(jìn)行差分，通過反 向器U-5反向，再經(jīng)過基準(zhǔn)三角波抽樣電路U-8和電流整形調(diào)節(jié)模塊U-10后 得到所需要的PWM2信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的步進(jìn)電機平滑驅(qū)動方法，其特征在于，各 PWM信號在CPLD里面進(jìn)行死區(qū)控制，在CPLD里面對輸入的PWM波形進(jìn) 行處理，把u—in轉(zhuǎn)換成u一down和u一up兩相，其中u一down的上升沿和u—in 的一樣，u—up的下降沿要比u—in的上升沿延遲幾個微秒；u—down的下降沿 要比u一in的下條沿延時幾個微秒，u一up的上升沿要和u—in的下降沿一致；v in、 w in的處理方式同u in。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混和式步進(jìn)電機平滑驅(qū)動技術(shù)，先用單片機和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩路相位差是2/3π的正弦波電流，第三路信號由前面兩路合成產(chǎn)生，最終產(chǎn)生出三相幅值相等，相位差是2/3π，完全一樣的正弦波電流。本改進(jìn)技術(shù)方法可以使混和式步進(jìn)電機運行的平穩(wěn)性能得到很大的提高。而已有的技術(shù)中，為了得到三相信號完全一樣的PWM波，相對要求嚴(yán)格的三相正弦波的產(chǎn)生大都是用信號發(fā)生器產(chǎn)生三路信號，這樣子很難保證他們的相位差是嚴(yán)格的2/3π，而且本改進(jìn)方法電路設(shè)計簡單，成本較低。
文檔編號H02P8/22GK101594109SQ20081004988
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者張前進(jìn), 徐素莉 申請人:河南科技大學(xué)