瞿亮，邱建琪，史涔激
(浙江大学电气工程学院，杭州3l0027)
摘要：该文构建了两相混合式步进电动机的开环矢量细分驱动控制系统，运用dsp芯片从软件角度实现所有算法，产生脉宽凋制波来控制两相h桥的开通，以此米控制两相绕组中的电流，根据dsp产生pwm的原理，对其进行了死区补偿。文中详细阐述了系统的原理、组成构架和实现方案，实验结果表明，该系统具有运行稳定、控制简单等特点。
姜键词：混合式步进电动机：开环矢量；细分控制；死区补偿；dsp
o 引 言
步进电动机是一种将电脉冲信号转化成相应角位移的执行元件，由于其开环控制系统简单、定位精确、误差无累积的优点，已经广泛应用于工控的各个领域。但是步进电机在低频运行时会出现振荡和过冲等问题，而且在精度要求较高的场合，电机的齿数增加会造成制造成本上升。为了改善上述问题，可以采用细分控制技术。细分控制是将步进电动机的固定步距角变成可编程实现的任意步距角，能够在一定程度上抑制振荡，改善电动机的动态性能。
传统dsp细分控制采用双电流闭环形式，即将a、b相电流大小分别作为控制量，其给定值与其反馈值分别比较，然后分别经过pi计算，将计算值送人pwm产生环节。
本文采用了开环矢量细分控制策略，即采用单电流闭环形式，将a、b相电流合成矢量大小作为控制量，将给定值与经过计算处理的反馈量做比较，然后经过pi计算，根据表示定子磁场位置的电角度值的正余弦值，得到相应的两路调制信号送入pwm产生环节。
1系统构成原理
1．1细分驱动的基本思想
两相混合式步进电机的转矩在不计铁心饱和影响并忽略永磁导中高次谐波影响时，其矩角特性为正弦曲线
混合式步进电机与同步电机的转矩方程存在类似之处。两相混合式步进电机的细分驱动就是通过控制两相绕组中电流的大小，理想状态下，电机内部的合成磁场为圆形空间旋转磁场，使得步进电机按照同步电机的运行方式旋转。
合成磁场的矢量大小决定了电机的转矩火小，相邻两个合成磁场矢量的夹角为细分之后的步距角。即在细分之前，步进电动机的一个齿距为2π电角度，若细分数为n则细分之后的步距角为2ω／n。
1．2系统框架
本系统采用开环矢量控制方式构造整个框架，所谓开环矢量，就是其中表不定子磁场位置的离散的电角度值θdisc不是采用闭环测转速且计算的方式获得，而是采用开环累计转动步数的方式获得。系统的驱动采用两相 h桥，首先对两相绕组电流测量，计算出与转矩有关的合成电流矢量大小，然后与给定电流比较，经过pi环节调制，得到调制峰值信号vo，然后根据电机位置要求得到离散正余弦波的电角度值，其止余弦值分别与vp相乘，得到给定a相调制信号va和b相调制信号vb．根据dsp的pwm死区产牛原理，对调制信号进行死区补偿，最后通过单极性pwm波调制，产生脉冲信号控制h桥的mos管开通。
1．3基于dsp的死区补偿
为了避免h桥的上下桥臂直通，驱动m0s管导通的pwm信号中，必须设置死区，但是死区时间的引入和mos导通、关断的时延，却造成实验中出现误差，电机绕组的电流信号波形峰值和过零点出现明显畸变。为了更好的达到步进电机的细分控制目的，需要引入死区补偿。本文根据该驱动系统的特点和dsp死区产生的机理，设计了一种简单实效的死区补偿。
如图3所示的h桥，根据硬件逻辑，mos管控制信号是低电平导通，高电平关断。桥臂的上下两个mos为互补导通。当电流i为图示正方向时，mos管q1和q2为互补的pwm信号，q3关断，q4长通．q1导通q2关断时，负载接在直流电源上，电流i上升；q2导通q1关断时，电流i下降，电路进入续流阶段。值得注意的是，由于二极管d2的存在，无论q2的导通与否，电路都能顺利进入续流阶段。所以对于死区补偿，只需要保证ql的导通时间即可，q2的导通信号对于续流过程没有影响。
以单个桥臂为例米说明，dsp产生的两路pwm互补驱动信号来开通关断mos管ql和q2。本试验中，pwm2信号驱动mos管q1，而pwml驱动m0s管q2。当dsp时钟计数值与计算得到的比较寄存器cmprl的值发生匹配时，输出的理想互补信号pwml和pwm2发生跳变，当引入死区信号dt—phx和dtphx之后，就可以得到两路互补日带有死区的两路实际信号pwml和pwm2．当比较值cmprl比较小，小于死区时间td的时候，pwm2将会发生有效脉冲丢失的现象。由于在电流i大于零的情况下，控制mos管q2的pwml驱动信号的高低电平的时间不影响管子的续流过程，而加入死区后的控制mos管q1的pwm2的低电平导通时间却一直比理想的导通时间少了td，所以新的比较值cmprl应该在原比较值的基础上加上死区时间td。t3=t1>t2若补偿后的值大于周期值，则比较值等于周期值。 同理，若电流i为反方向时，两路互补pwm信号驱动q3和q4，q1关断，q2长通。对q3管驱动信号的死区补偿原理与上述完全一样。
2硬件实现
本系统的硬件由光耦隔离电路、功率与驱动电路、电流信号调制电路和过流保护电路等组成。
2．1功率与驱动电路功率电路
采用双h桥，由8个n沟道功率mos管75n75组成，该mos管具有开关速度快、低通态电阻的特点，目其vds****电压75 v，****电流75a，符合本实验的要求。
驱动电路采用双通道、能够驱动高压高速功率器件的ir2110芯片，该芯片集成度高，且外围电路简单，仅仅需要极少的分立元件和控制电源就可以实现自举电路。同时芯片还具有sd输出关断引脚，一日sd引脚电平为逻辑高，芯片所有输出信号就会封锁。
2．2电流信号调制电路
由于dsp的ad端口采样电压的****范围是o～3．3 v，所以步进电机的两相绕组中的电流必须按一定比例转化为dsp可采样的电压等级范围之内。输入信号为经过电流传感器的电压信号。第一级是电压跟随器；第二级是一个加法电路，将原来的含有正负的电压信号统一进行偏置，加上5 v，将第一级运放输出一5～5 v电压信号范围偏置为0～10 v；第三级是一个比例缩放环节，将第二级输出0～10 v比例缩放到0～3 v；然后经过低通滤波器滤去高频干扰；最后为了保护dsp元件ad端口，加上两个二极管，将输出电压限制在一o 7 v～4 v之间。
2．3过流保护电路
本系统采用专用集成驱动芯片ir2110，其sd保护端功能特性是当其输入信号为逻辑低时，芯片正常工作，当其输入信号为逻辑高时，芯片封锁所有输出信号，mos管关断，以此达到保护功率电路的目的。aprotect是h桥中为获得电流大小而设置的采样电阻上的电压信号，经过运算放大器的放大处理，将电压信号放大40倍之后，然后将运放当作比较器使用，与15 v做比较，以输出sdl信号，根据其逻辑高低，开通和关断ir2110。
3软件设计
系统控制软件的总体构成可分为主程序、a／d中断服务程序、正弦余弦表产生程序、pi环节、求平方根、死区补偿和pwm产生程序等。
主程序中采用时钟1下溢巾断启动ad采样，对a、b相电流分别进行多次采样之后，进入ad中断服务程序。
由rad采样进来的电压信号范围为0～3．3 v，是两相电流信号经过运算放大器进行放大偏置之后的电压值，不能准确反映电流的正负和大小，所以需要对电压信号进行处理，使之成为具有正负符号的q15格式数据，反映电流信号。然后对a和b两相电流的平方和求平方根，得出反映现在定子磁场矢量大小的电流值i。
开根号的程序编写。由于dsp2407是一款定点dsp芯片，加法和乘法运算速度较快，均为单指令周期运算，若使用牛顿迭代法求平方根需要使用除法运算，增加了编程难度和运算时间，降低了运算精度，故求平方根程序采用泰勒级数展开法，所有数据可采用定标q格式来表示，运用泰勒级数6阶展开式即可得出开根号之后的比较精确的结果。角度离散化程序中，已经将正余弦信号的数值转化成q15格式，以表格形式列出，只需在运行时，根据当前所处的步数进行查表，就可以得到相应的正余弦数值。
pwm产生环节，利用pi环节中输出的给定电压信号和离散角度计算得到的调制信号，然后经过死区补偿，得出具有不同占空比的pwm波形。
pwm直接利用dsp内部的事件管理器的比较单元产生，考虑到硬件电路的逻辑关系，和死区时间的设置，设置pwm。为低有效，连接下桥臂；设置pwm…为高有效，连接上桥臂。将前面单元得出a相调制信号的值赋给cmprl，并将其调制信号数值求反且限幅，赋给cmpr2。b相同理。
4试验结果
实验采用两相混合式步进电机，步距角l 8，额定相电流3 a，相电阻o．35 ω，相电感1．6 mh。
电机的两相绕组采用霍尔电流传感器测量，通过调制电路的放大偏置滤波，在示波器上显示。
步进电机8细分时的尚未添加死区补偿时的两相绕组电流波形细分的离散正弦波形可以清晰看出，但是由于此系统两相电流相互影响，加入死区时间后，电流波形的过零点和****点失真。
步进电机8细分时的添加死区补偿后的两相绕组电流波形，可以看出添加死区补偿之后，细分后的电流波形接近比较标准的离散正余弦波形，达到很好的死区补偿效果。
5结语
本文设计了一种两相混合式步进电动机的开环矢量细分驱动系统，为进一步提高运行性能，对脉宽调制波进行了死区补偿。试验结果显示，低频运行时平稳无振荡，有效抑制了噪音和共振，达到了不错的控制效果，可广泛应用于工业生产中。
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