基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置，包括与两相混合式步进电机相连接的闭环控制装置，闭环控制装置包括第四减法器、位置环比例调节器、第三减法器、速度环PI调节器、第一减法器、电流环第一PI调节器、Park逆变换器、空间电压矢量PWM控制模块、三相逆变器、第二减法器、电流环第二PI调节器、微分装置和Park变换器，空间电压矢量SVPWM控制模块输出的六路PWM波到三相逆变器，再通过三相逆变器控制两相混合式步进电机运行。

【技术实现步骤摘要】
基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置及方法
本专利技术涉及两相混合式步进电机的控制领域，尤其涉及一种基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置及方法。
技术介绍
两相混合式步进电机因其控制简单、定位精确、成本低等优点而广泛应用于工业和消费电子领域。步进电机的控制在传统应用场合下大多以开环控制为主，其主要存在低频振荡、转速不高、带载能力差和失步等缺点。目前，两相混合式步进电机的控制主要采用细分控制技术，如专利文献1(专利号为200910182227.1)、专利文献2(专利号为201210395851.1)、专利文献3(专利号为201110207943.8)、专利文献4(专利号为201310352544.X)。该技术的主要缺点：1)、在两相混合式步进电机出现堵转时不能增大两相混合式步进电机的输出转矩；2)、由于两相混合式步进电机随着细分数的增大而很难高速运行，其高速性能很差。目前的技术水平多适合与低速场合运行。随着现代工业的高速发展，加上为了增加经济效益而不断的降低成本，人们对步进电机的应用场合提出了越来越高的要求，追求更高精度和动态响应以及提高高速带载能力成为新的研究热点。因此，需要对现有技术进行改进。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高效的基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置及方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置，包括与两相混合式步进电机相连接的闭环控制装置；所述闭环控制装置包括第四减法器、位置环比例调节器、第三减法器、速度环PI调节器、第一减法器、电流环第一PI调节器、Park逆变换器、空间电压矢量SVPWM控制模块、三相逆变器、第二减法器、电流环第二PI调节器、微分装置和Park变换器；其特征在于：所述两相混合式步进电机通过内置的增量式光电编码器输出实时转子位置θ到第四减法器、Park逆变换器、微分装置和Park变换器；所述两相混合式步进电机输出两相静止坐标系下的电流ia和ib到Park变换器；第四减法器根据参考位置θref和实时转子位置θ输出位置偏差eθ到位置环比例调节器；位置环比例调节器输出参考速度ωref到第三减法器；微分装置输出实时转子速度ω到第三减法器；第三减法器输出速度偏差eω到速度环PI调节器；速度环PI调节器输出q轴参考电流iqref到第一减法器；Park变换器输出q轴实际电流iq到第一减法器；Park变换器输出d轴实际电流id到第二减法器；第一减法器输出q轴实际电流偏差eq到电流环第一PI调节器；电流环第一PI调节器输出q轴电压uq到Park逆变换器；第二减法器根据d轴参考电流idref和d轴实际电流id输出d轴实际电流偏差ed到电流环第二PI调节器；电流环第二PI调节器输出d轴电压ud到Park逆变换器；Park逆变换器输出α轴电压uα和β轴电压uβ到空间电压矢量SVPWM控制模块；空间电压矢量SVPWM控制模块输出PWM波到三相逆变器，再通过三相逆变器控制两相混合式步进电机运行。作为对本专利技术基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置的改进：所述空间电压矢量SVPWM控制模块输出六路PWM波到三相逆变器；所述三相逆变器包括包括第1半桥的上桥臂功率开关管、第1半桥的下桥臂功率开关管、第2半桥的上桥臂功率开关管、第2半桥的下桥臂功率开关管、第3半桥的上桥臂功率开关管、第3个半桥的下桥臂功率开关管；所述第1个半桥的上桥臂功率开关管与第1个半桥的下桥臂功率开关管连接构成第一桥臂，第2个半桥的上桥臂功率开关管与第2个半桥的下桥臂功率开关管连接构成第二桥臂，第3个半桥的上桥臂功率开关管与第3个半桥的下桥臂功率开关管连接构成第三桥臂；所述两相混合式步进电机的绕组A的一端连接在第1个半桥的上桥臂功率开关管和第1个半桥的下桥臂功率开关管的接头处，另一端连接在第2个半桥的上桥臂功率开关管和第2个半桥的下桥臂功率开关管的接头处；所述两相混合式步进电机的绕组B的一端连接在第2个半桥的上桥臂功率开关管和第2个半桥的下桥臂功率开关管的接头处，另一端连接在第3个半桥的上桥臂功率开关管和第3个半桥的下桥臂功率开关管的接头处。本专利技术还同时提供基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置的方法：所述空间电压矢量SVPWM控制模块根据第1半桥的上桥臂功率开关管、第1半桥的下桥臂功率开关管、第2半桥的上桥臂功率开关管、第2半桥的下桥臂功率开关管、第3半桥的上桥臂功率开关管和第3个半桥的下桥臂功率开关管的导通和关断的不同组合，形成八种工作状态，从而构成了八个空间矢量，其中包括六个非零矢量V1、V2、V3、V4、V5和V6及两个零矢量V0和V7，六个非零矢量将整个矢量空间分成了第I扇区，第II扇区，第III扇区，第IV扇区，第V扇区和第VI扇区六个扇区；当参考矢量uref此时所处第I扇区时，参考矢量uref等效作用于相邻的非零基本空间电压矢量V1和V2的时间t1和t2分别为：六路PWM波的每一路PWM波的周期都为Ts，udc为接在三相逆变器上的直流电压，Ts和udc是人为设定的；Uα和Uβ为参考矢量uref在α和β坐标系上的电压，即为α轴电压uα和β轴电压uβ；当参考矢量uref此时所处第II扇区时，参考矢量uref等效作用于相邻的非零基本空间电压矢量V2和V3的时间t2和t3分别为：当参考矢量uref此时所处第III扇区时，参考矢量uref等效作用于相邻的非零基本空间电压矢量V3和V4的时间t3和t4分别为：当参考矢量uref此时所处第IV扇区时，参考矢量uref等效作用于相邻的非零基本空间电压矢量V4和V5的时间t4和t5分别为：当参考矢量uref此时所处第V扇区时，参考矢量uref等效作用于相邻的非零基本空间电压矢量V5和V6的时间t5和t6分别为：当参考矢量uref此时所处第VI扇区时，参考矢量uref等效作用于相邻的非零基本空间电压矢量V6和V1的时间t6和t1分别为：空间电压矢量SVPWM控制模块通过t1、t2、t3、t4、t5和t6计算参考矢量uref位于不同扇区时输出的六路PWM波的占空比，从而空间电压矢量SVPWM控制模块输出相应的六路PWM波到三相逆变器。本专利技术的优点是：本专利技术与现有的采用双H桥拓扑结构的驱动方案相比较，采用三相逆变器及适合的空间矢量调制算法进行设计，在功率开关管数量上由8个变成了6个，降低了成本，基于三相逆变器控制两相电机导通推导而获得的空间矢量调制算法也是新的。基于本专利技术设计的闭环驱动系统的运行转速范围及带载能力都比开环系统的强。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。图1是本专利技术基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置的原理框图；图2是图1中三相逆变器9的拓扑结构图；图3是空间电压矢量SVPWM控制模块8所采用的基本空间电压矢量图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此。实施例1、基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置，如图1-3所示，包括与两相混合式步进电机15相连接的闭环控制装置，闭环控制装置包括第四减法器1、位置环比例调节器2、第三减法器3、速度环PI调节器4、第一减法器5、电流环第一PI调节器6、Park逆变换器7、空间电压矢量SVPWM控本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置，包括与两相混合式步进电机(15)相连接的闭环控制装置；所述闭环控制装置包括第四减法器(1)、位置环比例调节器(2)、第三减法器(3)、速度环PI调节器(4)、第一减法器(5)、电流环第一PI调节器(6)、Park逆变换器(7)、空间电压矢量SVPWM控制模块(8)、三相逆变器(9)、第二减法器(10)、电流环第二PI调节器(11)、微分装置(12)和Park变换器(13)；其特征在于：所述两相混合式步进电机(15)通过内置的增量式光电编码器(14)输出实时转子位置θ到第四减法器(1)、Park逆变换器(7)、微分装置(12)和Park变换器(13)；所述两相混合式步进电机(15)输出两相静止坐标系下的电流ia和ib到Park变换器(13)；第四减法器(1)根据参考位置θref和实时转子位置θ输出位置偏差eθ到位置环比例调节器(2)；位置环比例调节器(2)输出参考速度ωref到第三减法器(3)；微分装置(12)输出实时转子速度ω到第三减法器(3)；第三减法器(3)输出速度偏差eω到速度环PI调节器(4)；速度环PI调节器(4)输出q轴参考电流iqref到第一减法器(5)；Park变换器(13)输出q轴实际电流iq到第一减法器(5)；Park变换器(13)输出d轴实际电流id到第二减法器(10)；第一减法器(5)输出q轴实际电流偏差eq到电流环第一PI调节器(6)；电流环第一PI调节器(6)输出q轴电压uq到Park逆变换器(7)；第二减法器(10)根据d轴参考电流idref和d轴实际电流id输出d轴实际电流偏差ed到电流环第二PI调节器(11)；电流环第二PI调节器(11)输出d轴电压ud到Park逆变换器(7)；Park逆变换器(7)输出α轴电压uα和β轴电压uβ到空间电压矢量SVPWM控制模块(8)；空间电压矢量SVPWM控制模块(8)输出PWM波到三相逆变器(9)，再通过三相逆变器(9)控制两相混合式步进电机(15)运行。...

【技术特征摘要】
1.基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置，包括与两相混合式步进电机(15)相连接的闭环控制装置；所述闭环控制装置包括第四减法器(1)、位置环比例调节器(2)、第三减法器(3)、速度环PI调节器(4)、第一减法器(5)、电流环第一PI调节器(6)、Park逆变换器(7)、空间电压矢量SVPWM控制模块(8)、三相逆变器(9)、第二减法器(10)、电流环第二PI调节器(11)、微分装置(12)和Park变换器(13)；其特征在于：所述两相混合式步进电机(15)通过内置的增量式光电编码器(14)输出实时转子位置θ到第四减法器(1)、Park逆变换器(7)、微分装置(12)和Park变换器(13)；所述两相混合式步进电机(15)输出两相静止坐标系下的电流ia和ib到Park变换器(13)；第四减法器(1)根据参考位置θref和实时转子位置θ输出位置偏差eθ到位置环比例调节器(2)；位置环比例调节器(2)输出参考速度ωref到第三减法器(3)；微分装置(12)输出实时转子速度ω到第三减法器(3)；第三减法器(3)输出速度偏差eω到速度环PI调节器(4)；速度环PI调节器(4)输出q轴参考电流iqref到第一减法器(5)；Park变换器(13)输出q轴实际电流iq到第一减法器(5)；Park变换器(13)输出d轴实际电流id到第二减法器(10)；第一减法器(5)输出q轴实际电流偏差eq到电流环第一PI调节器(6)；电流环第一PI调节器(6)输出q轴电压uq到Park逆变换器(7)；第二减法器(10)根据d轴参考电流idref和d轴实际电流id输出d轴实际电流偏差ed到电流环第二PI调节器(11)；电流环第二PI调节器(11)输出d轴电压ud到Park逆变换器(7)；Park逆变换器(7)输出α轴电压uα和β轴电压uβ到空间电压矢量SVPWM控制模块(8)；空间电压矢量SVPWM控制模块(8)输出PWM波到三相逆变器(9)，再通过三相逆变器(9)控制两相混合式步进电机(15)运行。2.根据权利要求1所述的基于三相逆变器的两相步进电机闭环驱动装置，其特征在于：所述空间电压矢量SVPWM控制模块(8)输出六路PWM波到三相逆变器(9)；所述三相逆变器(9)包括包括第1半桥的上桥臂功率开关管(16)、第1半桥的下桥臂功率开关管(17)、第2半桥的上桥臂功率开关管(18)、第2半桥的下桥臂功率开关管(19)、第3半桥的上桥臂功率开关管(20)、第3个半桥的下桥臂功率开关管(21)；所述第1个半桥的上桥臂功率开关管(16)与第1个半桥的下桥臂功率开关管(17)连接构成第一桥臂，第2个半桥的上桥臂功率开关管(18)与第2个半桥的下桥臂功率开关管(19)连接构成第二桥臂，第3个半桥的上桥臂功率开关管(20)与第3个半桥的下桥臂功率开关管(21)连接构成第三桥臂；所述两相混合式步进电机(15)的绕组A(22)的一端连接在第1个半桥的上桥臂功率开关管(16)和第1个半桥的下桥臂功率开关管(17)的接头处，另一端连接在第2个半桥的上桥臂功率开关管(18)和第2个半桥的下桥臂功率开关管(19)的接头处；所述两相混合式步进...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁文其，王秀锋，张祯毅，纪科辉，汪全伍，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33