三相混合式多细分步进电机驱动器的设计

三相混合式步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，按照电路基本定理，三相电流之和为零。即IU+IV+IW =0 。所以通常只需产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可由其它两相求得。同样，只需要对相应两相绕组的实际电流进行采样，第三相绕组的实际电流可根据式求得。

3、三相混合式步进电机驱动器的系统构成

驱动器的总体方案如图3 所示，主要包括单片机电路、电流追踪型SPWM 电路和功率驱动电路组成。

图3 驱动器的整体框图

3.1 DSP模块设计

在这里，我们选择了TI公司的DSP作为CPU芯片，DSP（Digital Signal Processor）实际上也是一种单片机，它同样是将中央处理单元、控控制单元和外围设备集成到一块芯片上。但它又有自身鲜明的特点——因为采用了多组总线技术实现并行运行的机机制，从而大大提高了运算速度，具有更强的运算能力和更好的实时性。本文选用的DSP（TMS320LF2407A）是一款电机控制专用芯片，144引脚，具有丰富的IO资源，含有四个通用定时器，具有两路专用于控制三相电机的PWM发生器（可产生六路PWM信号），另外还有专用接收外部脉冲和方向的I/O口，从而简化了电路设计和程序开发。

DSP输入信号包括步进脉冲信号CP、方向控制信号、脱机信号， 过流保护信号。这几种信号均通过高速光耦连接到DSP的引脚上，另外还有细分步数及电流选择信号。当脱机信号为有效时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。反馈电流通过DSP自带的的10 位模数转换器（AD）采样，反馈的电流通过一定的算法后，由DSP自带的PWM口输出控制电机。

3.2 电流追踪型回路

这种传输方式以模拟电压的幅值代表采样电流或者电压的大小，其主要用来采样a，b两相电流及母线电压检测，实现电机电流控制以及过压、欠压、过流保护。驱动器通过采样电阻检测步进电机绕组的实际电流，与设定电流相比较后经过滞环比较器调节器，调节器输出信号由20KHz 频率的三角波载波输出，形成脉宽调制信号(PWM)，通过功率驱动接口电路来控制大功率半导体器件的导通与关断，使步进电机的绕组实际电流跟踪给定参考信号，按给定的正弦规律变化。

3.3 功率驱动电路

驱动器的主回路采用交-直-交电压型逆变器形式，由整流滤波电路、三相逆变器以及步进电机等组成。整流滤波电路构成直流电压源，完成220V、50Hz 交流电源到直流电源的变换。逆变器实现从直流电到变频变压交流电的转换，为三相混合式步进电机的定子绕组提供要求的交流电流。逆变器由仙童公司生产的六只G30N60B3DMOS管组成，构成三相逆变桥。驱动器采用两只电阻检测步进电机相电流的瞬时值。

功率驱动电路的核心是功率模块(MOS管)。MOS管 与电流追踪型PWM 输出之间必须通过专用高速光耦连接。根据MOS管的过流值和电机峰值线电流来选用合适的MOS管，即电机的线电流的峰值小于MOS管的最大电流值。本设计中电机最大相电流为8.1A，该电流是相电流的有效值，峰值相电流为8.1* sqrt(2) = 11.312A 。此外，电机绕组在三角形接法时，线电流是相电流的3 倍，所以线电流峰值为19.6A。由G30N60B3DPDF文档知，其最大流值为30A,故可以保证正常使用，正常工作要求适当的散热设计保证内部结温永远小于150摄氏度，因此要外加散热器并强制风冷，以保证MOS管正常工作。

3.4 并口通讯

为了避免在控制过程中停电或者其它特别原因掉电时造成损失，使用带电RAM存储电机位置，保证来电后工件可继续完成加工。并口RAM比传统使用的E2ROM速度传输更快更可靠，可更有效的记录电机运行状态，但占用CPU的I/O口较多，这里CPU有足够的资源可以使用。

3.5 控制软件流程

图4 主程序流程图

图5 中断部分的流程图

为减少功耗和保护电机，设置了自动半流功能，它由滞环比较器自动进行调节。

4、 结论

实践证明本文所讲的驱动方法其适应性很强，基本上可以适应所有的三相混合式步进电机。特别对三相绕组星形接法，低频时运行平稳，无振荡，有效地抑制了振荡、噪声。另外，驱动器内部设计多种保护电路，使整个驱动器的可靠性大大提高。