三相反应式步进电机的高性能驱动电源

1、三相反应式步进电机的高性能驱动电源21306矩第2期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor2006三相反应式步进电机的高性能驱动电源王玉琳,陈建欣(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥2.30069)单片机控制DAC0832数/模转换器产生,驱动单元采用高压型恒流斩波电路.该电源在控制步进电机转动时,微步精度高,低速运转时电机振荡小,高速运转时输出力矩大.通过选择合适的细分数,可与不同档次的CNC控制器配套使用.批量使用结果表明,该电源稳定性好,性价比高,具有一定的推广使用价值.关键词:步进电机;驱动电源;细分;单片机中图分类号:TM383.6文献标识码:

2、B文章编号:10021841(20o6)02004702HiPerformanceDrivingPowerSupplyfor3一PhraseReactionStepperMotor(SchoolofMechanical&Automotivelgiml'g,HofeiTechnologyUnivergty,Hofei230069,China)Abstract:Atypeofvariablesubdivisionhighperformancedrivingpowersupplyforsteppermotorhasbeenpresentedinthepaperwhichisu

3、sedtodrivethreeconUedbyAB9s52singlebeingusedtodrivesteppermotor,thedrivingpowersupplyhashi曲accuracyofmicrostepang【e,thevibrationofthesteppermotorislowatlowspeedandthepowersupplyoutputshightorqueathishspeed.Byselectingpropersubdivisionnumber,thepowersupplyissuit-edtodifferentclassesofCNCcontrollers,T

4、heresultofit'SbeingusedinbatchesshowsthatthepowersupplyhasgoodstabilityandhishratioofperformancetopriceSOithasgreatvalueofbegpopularizedandused.Keywolds:steppermotor;drivingpowersupply;subdivision;singlechipmicrocomputer1可变细分型驱动电源的结构图1是可变细分型驱动电源的结构框图,整个驱动电源由输入的220V交流电源进行整流,滤波和稳压,输出3路直流电压:一路是经过稳压

5、的5v电源,供给控制板使用;一路是经过稳压的15v电源,供给功放板的前级使用;另一路是310V高压(无稳压),供给功放板的后级驱动MOSFET管使用.DIP选荜开关脉冲/正转脉冲方向/反转脉冲使能输入初始相位输出报警输出外部电源输入输出信号地A相电流指示灯B相电流指示灯C相电流指示灯高压就绪指示灯报警指示灯相电流控制相电流反馈相电流控制相电流反馈相电流控制相电流反馈功放板A相电流输出B相电流输出C相电流输出流220V输人流220V输出(风扇)安全保护地图1可变细分驱动电源的结构框图控制板的功能是根据驱动电源上DIP选择开关的位置,以及外部输入信号的状态.向功放板提供电流控制信号,包括:电机的相

6、电流顺序控制,微步距(细分)电流控制,恒流斩波控制,自动限流控制等,板上还设有可以对外输出的初始相位信号和故障报警信号.基金项目:合肥工业大学科学研究发展基金项目(200200237)收稿日期:20050906收修改稿日期:20051123功放板的功能是将由控制板送来的控制信号(15v小电流),变成高电压(310v)大电流(最大1OA),注入到步进电机的绕组,并将绕组的电流取样后反馈至控制板,从而形成恒流斩波控制.2可变细分型驱动电源的工作原理三相反应式步进电机的定子放置有三个互成120的绕组时,电机转子处于自由状态,用手可以转动;当给某一相绕组通电时,电机转子产生保持力矩,手力不能直接将转子

7、转动;当轮的供电顺序有两种方式,分别如图2和图3所示.A+AB+BCCCA圈2步进电机正转时的绕组通电顺序A+AC+C+CBB+BA圈3步机电机反转时的绕组通电顺序不管正转还是反转,供电顺序经6个状态之后进行循环,角的大小由步进电机的型号所决定,绕组通电状态的转换受外部输入到驱动电源的脉冲与方向信号所控制.例如,驱动电源的DIP选择开关设定细分数为1,选择单脉冲方式,使能输入端输入有效的低电平,外部电源输入端输入高电平,此时,从脉冲情况下,驱动电源不进行细分控制,外部每输入一个步进脉冲,电机的相电流是以全值增加(从0到最大值)或以全值减小(从最大值到0).当驱动电源设定在5细分时,外部每输入一

8、个脉冲,电机将转过半个步距角的1/5.此时,外部每输入一个步进脉冲,电机的相电流就以全值的1/5进行递增或以全值的1/5进行递减.这样,供电顺序经过30个状态之后进行循环.当驱动电源设定在10细分时,外部每输入一个脉冲,电机将转过半个步距角的1/10.此时,外部每输入一个步进脉冲,电机的相电流就以全值的1/10进行递增或以全值的1/10进行递减.这样,供电顺序经过6o个状态之后进行循环.当驱动电源的细分数设定在其他状态时,情况依此类推.为控制器(24M晶振),CNC主机送来的步进脉冲信号与方向信号以及通过DIP开关在驱动电源上所设定的细分数编码,均由AT89S52单片机接收.进行细分驱动时,A

9、T89S52按照设定的细分数进行计算,分别通过3片8位的D/A转换器,输出低电压的细分波形,再经驱动电路(恒流斩波型)放大后,分别送到三相绕组,形成电机绕组的细分电流波形,如图5和图6所示.图中,DIP开关设定在10细分的状态,电机不管在低速运转还是在高速运转,其绕组的电流波形均能显示出l0个细分电流峰值,可以根据不同的电机在驱动电源内进行调节.步进脉冲l与lAT89S52方向信号+l虽片细分数l机选择÷开关信号I围4细分控制原理框图横坐标lms/div,纵坐标1AVdiv横坐标0.1ms/div,纵坐标lA/div图5十细分状态低速运转时电图6十细分状态高速运转时电机绕组的电流波形

10、机绕组的电流波形3可变细分型驱动电源的特点可变细分型驱动电源具有以下特点:(1)技术新.应用微电子技术,将单片机嵌入驱动电源内部,使控制性能提高,电路简化;功放级采用高耐压,大电流MOSFET管IPtFP460,过载,过热能力强;驱动电源内部低压直流电源采用开关电源技术,使得电源电路体积小,稳定可靠7J.(2)微步距.运用矢量细分技术,可控制三相六拍反应式步距控制可使步进电机低速运行平稳,无明显的步进感,并且输出力矩大(从细分后的电流波形图5和图6可以看出,电流的有效值大).微步距驱动电源与舢级CNC控制系统配套,可使数控机床的脉冲当量达到/nn级,这对锥面,球面,螺纹等工件的加工,可以明显提

11、高表面粗糙度.(3)平滑细分.细分数设定为1时,对应于一个步进脉冲单片机,将这个步距角分成10个微步去完成,其运行特性近似l0细分的效果.一般的经济型CNC系统,由于受CPU运算速度的限制,线位移控制精度多数为O.01r舢,若用这些CNC系统与驱动电源配套,采用平滑细分时,可以达到低速平稳,高速不减的效果.(4)高速度.当细分数设定为20时,驱动电源仍可接收kHz.比(额定值以内),高速运转时,注入电流大小与驱动电源功放级使用的电压成正比.目前,大部分步进电机驱动电源的功放级,由于技术限制,所使用的电压一般都不超过DC120V,而高性能驱动电源,其功放级的电压可以达到DC310V,因此,电机在

12、高速运转时仍然输出高转矩.(6)高可靠性.控制部分集成度高,功放级采用进口的MOS.FEr管,整机结构紧凑,电路简洁,机外风冷式散热设计可减少粉尘的侵入,设有超温,过流,欠压保护,报警信号对外输出.4结束语高性能可变细分型驱动电源,可以选择设定细分数,用来驱动三相反应式步进电机,从而获得多种微步距,低速振荡小,不易失步,高速电压高,出力大,且具有多种保护功能.目前,这种驱动电源投入工厂使用已有4砣久,来自生产一线的信息表明,该驱动电源稳定性好,步距精度高,低频振荡小,高频扭矩大,性能价格比高,具有一定的推广应用价值.值得一提的是,虽然可变细分型驱动电源针对的是三相反应式步进电机,但是,其前级的细分思路仍可移植到其他类型的步进电机上.参考文献;1陈培民.步进电机的高性能驱动.华侨大学,1998(4):347349.2王玉琳.步进电动机可变细分驱动器微特电机,2005(4):2830.术,2005(6):7172.4杨正新.步进电机步距细分及其智能化控制.微电机,1990(1):5354.5马西庚.步进伺服系统细分控制的研究与实践.机械工业自动化,1999