黄志良
东莞市恒越实业有限公司
摘要：经济在快速的发展，社会在不断的进步，针对步进电机在恒压驱动控制中，高频条件下容易出现电机失步，造成无法正常运转的情况，设计了基于ＬＭＤ１８２００的电流滞环驱动电路；通过对步进电机功率放大器电路的常见形式进行研究，分析恒压与恒流驱动电路设计上的差异，理论上推导恒流驱动稳定电流及波动频率等特性；利用Ｍａｔｌａｂ仿真对比恒流与恒压驱动电路相电流的上升速度，说明两种方式下平均输出力矩以及运行频率情况；以电机驱动集成芯片ＬＭＤ１８２００实现两种驱动方式的硬件电路，分别对型号ＴＳ３６４１Ｎ１Ｅ２的负载电机进行测试；在不同的运行频率下，根据两种驱动电路的相电流以及运行状态，验证步进电机恒流驱动电路设计满足空间光学遥感器机构控制的要求。
关键词：步进电机；ＬＭＤ１８２００；恒流驱动
引言
步进电机是广泛用于计算机控制系统和计算机外部设备的驱动元件.步进电机使用脉冲电流驱动,利用环形脉冲分配器给各绕组分配驱动脉冲,每向环形分配器输入1个脉冲,步进电机绕组的通电状态改变一次,电机的转子转过1个步距角.步进电机的运行性能例如运行频率、输出力矩等,除受电机自身性能的影响外,还直接受驱动器的制约.步进电机伺服系统具有价格低、简单、可靠等交直流伺服系统无法比拟的优点,但由于它的运行速度低、驱动器效率低和发热量大等缺点,使它的使用范围受到限制.随着现代电力电子技术、微电子技术特别是微处理器技术的发展,为步进电机驱动器性能的提高提供了条件,使步进电机驱动器的性能有了很大提高,从而使传统的步进伺服系统得到了广泛的应用.
1步进电机的控制系统结构
1.1DSP简介
DSP即数字信号处理器，是一种专门用来实现各种数字信号处理算法的微处理器。文中选用TI公司的TMS320F2812作为主控制芯片，片内集成了丰富的外设模块，简化了系统的硬件设计；快速的中断处理能力和硬件I/O支持，保证了系统实时响应的能力；片内具有快速RAM同时采用改进的哈佛总线结构，可以通过独立的总线对多个存储器进行并行访问而且可同时完成获取指令和数据读取操作。与常用的16位单片机相比，DSP可用于复杂的数字信号算法处理，在实时性和灵活性上以及高速的数据处理能力上有着明显的优势。
1.2恒压驱动原理
恒压驱动结构上将三极管与电机的绕组串联，控制信号连接到三极管的基极，通过控制三极管的导通和关断实现电机的换向控制，保证电机的正常运动。当通电时控制电压加载在电机绕组两端，会造成稳态电流值过大，超过电机正常运转的电流范围，因此需要在回路中串联分压电阻，保证电流稳态时达到额定值。
2恒压与恒流控制系统设计
2.1恒压驱动电路设计
ＬＭＤ１８２００提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性的驱动方式利用方向控制ＤＩＲ信号的占空比控制加载电压的正负，当占空比为５０％时，输出电压为０Ｖ；占空比大于５０％时，输出电压为正；反之，输出电压为负。单极性的驱动方式根据方向控制ＤＩＲ信号的高低电平判断加载电压的正负，控制电流的流向，输出电压的幅值由ＬＭＤ１８２００的ＰＷＭ信号占空比决定。
2.2PWM恒流控制
PWM恒流控制方式针对线性恒流方式的缺点作了改进.主控制管使用功率场效应管,通过1个PWM控制器进行控制.IG是电流给定,IF信号是电流反馈信号,PWM控制器依据电流误差EI=IG-IF调节输出脉冲的宽度,也就是调整功率控制晶体管BGA的导通与截止的比例,从而控制电机绕组中的电流.PWM方式下的电流波形见图6.其中粗实线为PWM方式电流波形,虚线为不受控时的电流曲线,细实线为线性方式的电流曲线.线性恒流方式与PWM方式回路时间常数和电源电压相同,因此,绕组电流上升率基本相同,由于PWM方式的功耗小,它可以取更高的峰值电流,因此可以做到t1 2.3步进电机的位置检测 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，步进电机驱动器接收一个脉冲信号就按预定方向驱动步进电机转动一个固定角度。DSP2812中事件管理模块的定时器和比较单元可用来产生两路电机所需的位置信号脉冲。当DSP事件管理器EV的捕获单元QEP模块被使能，与步进电机同轴转动的光电编码器产生的相差四分之一周期的正交脉冲序列被作为事件管理器中计数寄存器的时钟源，从而获得光电编码器反馈的脉冲个数。事件管理器的计数器寄存器会在正交脉冲的每个跳变沿按照脉冲捕获的先后顺序进行定向的计数增减，进而确定步进电机的转向和电机转过角度。电机相对于初始位置的角度为： n为计数寄存器的当前值，n1为计数寄存器的初始值，L为光电编码器线数。 恒流驱动电路中，绕组上不需要串联分压电阻。ＬＭＤ１８２００的８脚输出电流取样信号，可以按比例输出相电流的数值，比例关系为３７７μＡ／Ａ。通过将输出电流匹配合适采样电阻进行电流反馈，转成电压值进行反馈以实现恒流控制。根据ＬＭＤ１８２００使用手册的要求，匹配后的输出电压不得超过１２Ｖ，设计上在相电流达到额定值０．９５Ａ时，反馈电压为７．９Ｖ。电流滞环控制电路主要由ＬＭ１３９组成，四路独立的低功率高精度电压比较器，供电电压最高为３０Ｖ。恒流驱动需要设置合理的滞环宽度，环宽过大，跟踪性能无法保证，控制效果差，失去了恒流驱动的意义；反之，对功率器件的开关进行频繁的导通与关断操作，严重影响开关管的寿命，功率器件发热严重，并且可能导致系统的不稳定。通过Ｍｕｌｔｉｓｉｍ对电流滞环控制电路进行仿真，电路原理图如图1所示。根据测试结果，当电流过大，反馈电压超过上限值８．１Ｖ时，滞环电路输出０Ｖ，则ＬＭＤ１８２００的占空比ＰＷＭ信号为低电平，相电压输出幅值为０；当电流过小，反馈电压低于下限值７．６Ｖ时，滞环电路输出＋５Ｖ，则ＬＭＤ１８２００的占空比ＰＷＭ信号为高电平，相电压输出为功率电压＋２４Ｖ。通过电流滞环电路，实现了步进电机的滞环恒流驱动控制。 结语 本文针对空间光学遥感器应用中，利用恒压驱动的步进电机在高频运行条件下，出现无法正常运转的情况，设计了基于ＬＭＤ１８２００芯片的恒流驱动电路。通过Ｍａｔｌａｂ仿真分析得出恒流驱动电路的电流上升斜率大，在电机型号ＴＳ３６４１Ｎ１Ｅ２的测试条件下，达到稳态电流的时间为０．２５ｍｓ，是恒压驱动电路时间的１／４。从实验结果可以看出，在１ｋＨｚ的运行频率下，恒压驱动电路电流波形接近于三角波，电机无法正常运转，而恒流驱动电路可以达到２ｋＨｚ以上的运行频率。利用恒流驱动电路进行设计，电流的上升速度更快，步进电机可以获得更高的匀速运行频率。通过滞环控制将电流限制在合理的范围内，既保证了控制跟踪性能，又防止系统出现不稳定的状态，高频响应特性也得到明显改善，满足了空间光学遥感器对机构运行快速性和平稳性的要求。 参考文献 ［１］李婧，金占雷．两相步进电机单极性细分驱动器的实现［Ｊ］．控制与应用技术，２０１２，３９（３）：１４－１８． ［２］蔡洪宝，侯远龙，高强．基于ＴＣ１００２的两相混合式步进电机细分驱动器设计［Ｊ］．机械制造与自动化，２０１７，４６（３）：２１５－２１９． 论文作者:黄志良 论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期 论文发表时间:2019/11/27 标签：电流论文; 步进电机论文; 电压论文; 电路论文; 电机论文; 脉冲论文; 方式论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文; 
