步进电动机正弦波驱动器制造技术

本发明专利技术公开一种步进电动机正弦波驱动器，其组成包括正弦波细分运行分配器，采用限流电阻Ｒ控制电容充电电流的软起动电路，功率驱动电路、电流检测和处理电路、电流调节单元、逻辑合成单元、欠压和过温保护电路。本发明专利技术是一种新型步进电动机细分驱动系统，通过采用正弦波细分驱动技术，不仅大大提高了混合式步进电动机的分辨率，而且提高了系统抑制低频振荡的能力，改善了其动态特性。使用可编程逻辑器件ＣＰＬＤ实现了集成式正弦波细分运行分配器设计，从而使控制电路得以简化。系统具有高细分精度、正反转控制、细分数可变以及绕组电流大小可调节等功能。同时还设计了一套完备的保护电路，能够及时地对系统的欠压、过温等故障加以保护。

【技术实现步骤摘要】
步进电动机正弦波驱动器
：本专利技术涉及的是一种新型步进电动机细分驱动系统，具体地说是将绕组电流给定分段切入的正弦波细分驱动器。技术背景：步进电动机开环运行时无需检测转子位置，可以通过改变输入脉冲的频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，具有实现简单、成本低廉等优点。然而从应用的角度来看，制约步进电动机应用的问题就是振荡和失步。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于公开步进电动机正弦波驱动器。通过采用正弦波细分控制技术设计三相混合式步进电动机驱动器，有效地抑制混合式步进电动机开环运行时的低频振荡和失步等问题。通过采用正弦波细分控制方式，不仅大大提高了混合式步进电动机的分辨率，而且提高了系统抑制低频振荡的能力，改善了其动态特性。采用可编程逻辑器件CPLD实现了正弦波细分运行分配器设计，从而使控制电路得以简化。系统具有高细分精度、正反转控制、细分数可变以及绕组电流给定可调节等功能。同时还设计了一套完备的保护电路，能够对系统的欠压、过温等故障及时地加以保护。本专利技术其组成包括正弦波细分运行分配器，采用限流电阻R控制电容充电电流的软起动电路，功率驱动电路、电流检测和处理电路、电流调节单元、逻辑合成单元、欠压和过温保护电路，其特征是：绕组电流给定采用经离散处理后的正弦阶梯波分段切入，将绕组电流给定和反馈进行比较，并根据比较结果决定该相绕组的通断，最终得到正弦化的定子绕组电流；用可编程逻辑器件ispLSI1032E构成正弦波细分运行分配器，经12位D/A转换器AD7541和运算放大器LF353得到三相正弦波绕组电流给定；可编程逻辑器件CPLD的设计采用了-->原理图及ABEL语言的混合设计方式，实现正反转控制、细分数可变、绕组电流大小可调节功能；针对正弦化绕组电流给定的特点，采用了死区设置方法，防止同一桥臂上下管的直通；采用他激式PWM工作方式控制绕组电流，由专用脉宽调制芯片TL494实现，其中电流反馈采用电流霍尔传感器检测并经精密全波整流、低通滤波等处理后得到；采用IGBT智能功率模块(IPM)构成系统的功率部分。所述的正弦细分运行分配器由可编程逻辑器件ispLSI1032E、12位D/A转换器AD7541、运算放大器LF353共三部分组成；输出确保各相绕组的通电次序，各相绕组通电时的电流值数字量，实现各信号之间的同步；将正弦波分解为两个半波，配合六相的导通信号，负值数据用它的绝对值来表示；CPLD有两组输出，首先是三相绕组的阶梯电流给定值，将360度电角度均分成N份，即每个阶梯对应360/N度电角度，再按计算出各阶梯电流给定值，二进制数码由CPLD的I/O口输出；当N取不同值时，细分数也随之改变，采用12位D/A转换器来得到电流给定；第二组输出是同一桥臂上下管的整步开关控制信号，同各相的电流给定构成同步，每一相有两个整步信号(如A+和A-)，其六路输出，而输入控制信号包括：外部输入的步进脉冲、正反转控制电平、复位信号以及两路细分方式选择信号；输入信号均经光电隔离后输入CPLD；A、B、C三相绕组电流给定经12位D/A转换器AD7541、运算放大器LF353转换成正弦阶梯的模拟电压信号，即为绕组电流给定信号，经R1、C1滤波，AD7541的17脚接参考电压-5V，改变此参考电压调节正弦阶梯波给定的幅值，实现绕组电流大小可调功能；设置有避免同一桥臂上下开关管的直通必须足够的死区时间；软件中设计了一种死区设置；不影响绕组电流控制，在电流给定值为零的时间里，上下管关断。所述的电流反馈及处理电路为：三相绕组电流反馈采用电流霍尔传感器检测并经精密全波整流、低通滤波等处理后得到，电流霍尔检测绕组电流Ib后，发出一个与Ib成一定比例的小电流ib，ib经取-->样电阻R9得到反馈电流的电压信号U；U输入采用绝对值电路；绝对值电路中R2、R3、R4、R5、R6的阻值均取10k，R7取20k，运算放大器采用LF353，D1、D2为FR107快恢复二极管，从而得到输出电压Uf＝|U|；电阻R8与电容C2构成低通滤波电路。所述的电流调节单元采用了它激式PWM工作方式控制绕组电流，由专用脉宽调制芯片TL494实现，将正弦阶梯波电流给定与电流反馈经PI调节后产生一个模拟信号，再与一个固定频率的三角载波相比较产生PWM斩波信号，从而控制主电路中的开关管的通断时间来调节电机的绕组电流；其中R19、C11芯片内部的振荡器产生频率为15kHz的载波信号；R22、R21构成分压电路，产生一个-0.4V的电平以消除死区控制，输出PWM波的占空比可以达到0％-100％；Uf为经精密全波整流、低通滤波处理后的电流反馈信号，经R16、C9滤波后输入+IN1脚，Ug为由正弦波细分运行分配器产生的正弦阶梯波给定信号，输入到-IN1脚；R10、R11、R12、R17、C8构成电流PI调节器；该PI调节器的输出与三角波进行比较后产生PWM斩波信号，由8脚输出；由于输出端采用集电极开路输出方式，因此需加上拉电阻R18；输出的斩波控制信号与CPLD发出的整步控制信号一起经逻辑合成单元直接控制功率管的开通和关断；使绕组电流随时跟踪给定正弦阶梯电流。所述的逻辑合成单元将CPLD发出的6路整步信号与电流调节单元输出的斩波控制信号合成为驱动功率管开通关断的6路驱动信号，控制绕组电流及时地跟随给定正弦阶梯波信号变化；其中一相的逻辑合成为：A+、A-分别为A相上下桥臂的整步控制信号，TL494的斩波控制信号经过反向器与整步控制信号相与得到U、/U两路驱动信号，反向器、与非门分别选用74HC04、74HC00芯片。所述的功率驱动电路由IR公司生产的IGBT智能模块器件IRAMS06UP60A构成；该器件以IGBT为基本功率开关元件，构成三相桥式逆变器以适应电动机变频调速装置的需要，集成了基于自举技术-->的专用集成驱动芯片，可用于高压系统；该模块耐压600V，最大电流12A，最高开关频率20kHz。所述的保护电路具有主电路充电延时、欠压保护、硬件过温自锁保护、驱动信号软件封锁保护；欠压保护由一个两开两闭继电器及其外围电路构成，结合主电路延时电路一起使系统在开关电源正常工作之前不切入直流母线电压，当开关电源开始正常工作后，由主电路充电延时电路施加直流母线电压，使系统开始正常工作；J2的触点J2-1、J2-2触点，线圈经R25分压后串接在开关电源+5V输出端，R26为线圈电感放电；当开关电源工作正常时J2线圈通电，J2-1的常开触点吸合，R接入主电路为C充电，直流母线电压开始逐渐上升，系统进入延时启动过程；同时J2-2的常开触点也闭合，R31、C4加+15V电压开始充电，主电路延时充电继电器的控制部分开始工作，延时开始；当开关电源处于欠压状态时，J2线圈不通电，触点不吸合，J2-1、J2-2的常开触点都断开使主电路延时充电电阻R不接入充电回路中，同时延时充电控制继电器J1不能吸合，J1-1常开触点也断开，这样主电路直流母线电压被断开，从而彻底停止系统工作，同时R24通过常闭触点为滤波电容C放电，R32通过常闭触点为电容C4放电；过温保护电路的温度检测有一个触点常开温度开关T，超过温度开关限制的值后，温度开关T的触点由断开变为闭合；由继电器J3实现自锁功能，常开触点与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步进电动机正弦波驱动，其组成包括正弦波细分运行分配器，采用限流电阻Ｒ控制电容充电电流的软起动电路，功率驱动电路、电流检测和处理电路、电流调节单元、逻辑合成单元、欠压和过温保护电路，其特征是：绕组电流给定采用经离散处理后的正弦阶梯波分段切入，将绕组电流给定和反馈进行比较，并根据比较结果决定该相绕组的通断，最终得到正弦化的定子绕组电流；用可编程逻辑器件ｉｓｐＬＳＩ１０３２Ｅ构成正弦波细分运行分配器，经１２位Ｄ／Ａ转换器ＡＤ７５４１和运算放大器ＬＦ３５３得到三相正弦波绕组电流给定；可编程逻辑器件ＣＰＬＤ的设计采用了原理图及ＡＢＥＬ语言的混合设计方式，实现正反转控制、细分数可变、绕组电流大小可调节功能；针对正弦化绕组电流给定的特点，采用了死区设置方法，防止同一桥臂上下管的直通；采用他激式ＰＷＭ工作方式控制绕组电流，由专用脉宽调制芯片ＴＬ４９４实现，其中电流反馈采用电流霍尔传感器检测并经精密全波整流、低通滤波等处理后得到；采用ＩＧＢＴ智能功率模块（ＩＰＭ）构成系统的功率部分。

【技术特征摘要】
1.一种步进电动机正弦波驱动，其组成包括正弦波细分运行分配器，采用限流电阻R控制电容充电电流的软起动电路，功率驱动电路、电流检测和处理电路、电流调节单元、逻辑合成单元、欠压和过温保护电路，其特征是：绕组电流给定采用经离散处理后的正弦阶梯波分段切入，将绕组电流给定和反馈进行比较，并根据比较结果决定该相绕组的通断，最终得到正弦化的定子绕组电流；用可编程逻辑器件ispLSI1032E构成正弦波细分运行分配器，经12位D/A转换器AD7541和运算放大器LF353得到三相正弦波绕组电流给定；可编程逻辑器件CPLD的设计采用了原理图及ABEL语言的混合设计方式，实现正反转控制、细分数可变、绕组电流大小可调节功能；针对正弦化绕组电流给定的特点，采用了死区设置方法，防止同一桥臂上下管的直通；采用他激式PWM工作方式控制绕组电流，由专用脉宽调制芯片TL494实现，其中电流反馈采用电流霍尔传感器检测并经精密全波整流、低通滤波等处理后得到；采用IGBT智能功率模块(IPM)构成系统的功率部分。2.如权利要求1所述的一种步进电动机正弦波驱动，其特征是：所述的正弦细分运行分配器由可编程逻辑器件ispLSI1032E、12位D/A转换器AD7541、运算放大器LF353共三部分组成；输出确保各相绕组的通电次序，各相绕组通电时的电流值数字量，实现各信号之间的同步；将正弦波分解为两个半波，配合六相的导通信号，负值数据用它的绝对值来表示；CPLD有两组输出，首先是三相绕组的阶梯电流给定值，将360度电角度均分成N份，即每个阶梯对应360/N度电角度，再按计算出各阶梯电流给定值，二进制数码由CPLD的I/O口输出；当N取不同值时，细分数也随之改变，采用12位D/A转换器来得到电流给定；第二组输出是同一桥臂上下管的整步开关控制信号，同各相的电流给定构成同步，每一相有两个整步信号(如A+和A-)，共六路输出，而输入控制信号包括：外部输入的步进脉冲、正反转控制电平、复位信号以及两路细分方式选择信号；输入信号均经光电隔离后输入CPLD；A、B、C三相绕组电流给定经12位D/A转换器AD7541、运算放大器LF353转换成正弦阶梯的模拟电压信号，即为绕组电流给定信号，经R1、C1滤波，AD7541的17脚接参考电压-5V，改变此参考电压调节正弦阶梯波给定的幅值，实现绕组电流大小可调功能；设置有避免同一桥臂上下开关管的直通必须足够的死区时间；软件中设计了一种死区设置；不影响绕组电流控制，在电流给定值为零的时间里，上下管关断。3.如权利要求1所述的一种步进电动机正弦波驱动，其特征是：所述的电流反馈及处理电路为：三相绕组电流反馈采用电流霍尔传感器检测并经精密全波整流、低通滤波等处理后得到，电流霍尔检测绕组电流Ib后，发出一个与Ib成一定比例的小电流ib，ib经取样电阻R9得到反馈电流的电压信号U；U输入采用绝对值电路；绝对值电路中R2、R3、R4、R5、R6的阻值均取10k，R7取20k，运算放大器采用LF353，D1、D2为FR107快恢复二极管，从而得到输出电压Uf＝|U|；电阻R8与电容C2构成低通滤波电路。4.如权利要求1所述的一种步进电动机正弦波驱动，其特征是：所述的电流调节单元采用了它激式PWM工作方式控制绕组电流，由专用脉宽调制芯片TL494实现，将正弦阶梯波电流给定与电流反馈经PI调节后产生一个模拟信号，再与一个固定频率的三角载波相比较产生PWM斩波信号，从而控制主电路中的开关管的通断时间来调节电机的绕组电流；其中R19、C11芯片内部的振荡器产生频率为15kHz的载波信号；R22、R21构成分压电路，产生一个-0.4V的电平以消除死区控制，输出PWM波的占空比可以达到0％-100％；Uf为经精密全波整流、低通滤波处理后的电流反馈信号，经R16、C9滤波后输入+IN1脚，Ug为由正弦波细分运行分配器产生的正弦阶梯波给定信号，输入到-IN1脚；R10、R11、R12、R17、C8构成电流PI调节器；该PI调节器的输出与三角波进行比较后产生PWM斩波信号，由8脚输出；由于输出端采用集电极开路输出方式，因此需加上拉电阻R18；输出的斩波控制信号与CPLD发出的整步控制信号一起经逻辑合成单元直接控制功率管的开通和关断；使绕组电流随时跟踪给定正弦阶梯电流。5.如权利要求1所述的一种步进电动机正弦波驱动，其特征是：所述的逻辑合成单元将CPLD发出的6路整步信号与电流调节单元输出的斩波控制信号合成为驱动功率管开通关断的6路驱动信号，控制绕组电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙力，高晗璎，关嵩，赵克，康尔良，吴凤江，严冬，刘大为，
申请(专利权)人：孙力，高晗璎，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]