專利名稱：步進電機平滑驅動三相正弦波電流信號產生電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用在對步進電機的平穩性要求較高場合中的步進電機平滑驅動三相正弦波電流產生電路，屬步進電機驅動技術領域。
背景技術：
步進電機是一種將數字信號轉換為位移(或直線位移)的機電執行元件，每當輸入一個脈沖時，轉軸便轉過一個固定的機械角度，在數字控制系統中得到了廣泛的應用，步進電機的運動性能和它的驅動器有著密切的關系，步進電機根據步進角的具體要求，通過改變定子繞組電流來實現，繞組電流給定采用經量化處理后的正弦波并分段切入，將繞組電流給定與反饋進行比較，并根據比較結果決定該相繞組的通斷，最終得到正弦化的定子繞組電流。
目前，步進電機大都用PWM信號來控制，但在產生PWM信號的前面一定要產生相位差是|"的三相正弦波的電流信號，且他們的幅度大小需嚴格相等，當三相正弦波的相位差不是嚴格的相差|"或者幅度大小不完全相
等的時候，會對電機的平穩性能產生很大的影響，在現有的技術中，這種三相電流的產生大多是由模擬電路產生，不能嚴格保證三相電流的相位差
是l，且他們的大小很難保證嚴格的相等。
實用新型內容
本實用新型的目的在于提供一種步進電機平滑驅動三相正弦波電流產生電路，用以得到精確的步進電機三相電流，提高電機運行的平穩性能。本實用新型的技術方案是該電路由單片機、D/A轉換器、運算放大器、
晶振和信號合成電路組成，步進電機的脈沖信號CP、轉向信號cw、及晶振主頻信號分別從單片機的PD2、 PD6、 PA0 口輸入，確定電機工作模式的開關鍵為PD3、 PD4、 PD5;單片機的PB0 PB7 口分別接D/A轉換器的4、 3、2、 1、 20、 19、 18、 17腳，其1腳經下拉電阻R1接地；D/A轉換器的9、10、 12、 13腳分別接運算放大器的8、 9、 2、 1腳，A相正弦波電流信號VOA從運算放大器的14腳輸出，B相正弦波電流信號VOB從運算放大器的7腳輸出，VOA和VOB為兩相相位差嚴格是|冗的正弦波電流信號；
VOA、 VOB與步進電機功率驅動模塊的電流反饋信號VOC、 VOD分別輸入到信號合成電路差分運放輸入負端，經信號合成電路進行差分、相加、反相，最終產生出平滑驅動所需的三相正弦波驅動電流VOA' ， VOB'，
voc'。
具體方法是首先在單片機U1內建立兩個正弦波的電流數值表，這兩個正弦波的表都是一個完整的周期2;r， 一個表是從sin(0)開始，到sin(2;r)結束；另一個正弦波表是從sin(l;r)開始，到sin《;r)結束，在這兩個表中，我們在每個表中取M個數值點，也就是一個完整的正弦波周期是由M個數值點組成的，點數M根據工程實際，考慮加工的精度和效率可在100 1000之間選擇；單片機復位后先判定出步進電機的工作模式(也就是電機實際的轉速需要，即每轉的步數)，當有脈沖信號CP和方向邏輯控制信號CW(電機轉向)輸入時，單片機由CW電平的高低判定電機的轉動方向，再根據電機的工作模式査表，得到采樣間隔值，單片機根據電機的轉動方向和采樣間隔值，不斷的把表中的數值按采樣間隔依次讀取，把表中的數值不停的通過單片機的B 口輸出到D/A轉換器，通過D/A轉換變成模擬量，再經過運算放大，即可得到兩相幅值嚴格相等、相位差嚴格是l;r的正弦波電流信號VOA和VOB;將正弦波信號VOA、 VOB和步進電機功率驅動模塊(PS21564)的反饋正弦波電流信號VOC、 VOD進行對應差分，得到VOA'和VOB'，在VOA'和和VOB'之間用一個加法器和一個反向器，可得到了第三相VOC'為僉(《 + 4^),當前面生成的兩相正弦波電流信號是
幅度一樣，相位差是嚴格的,時，則第三相電流信號也是準確的，最終產生
出平滑驅動所需的三相幅值嚴格相等，相位差嚴格是^;r的正弦波驅動電
3
流，利用反饋正弦波電流信號VOC、 VOD的目的是進一步提高電機運行的平穩性。
當單片機檢測到CW電平跳變后，A不再査1的數值，而是開始查表2的數值，B開始查表l的數值，査表的結果是B超前A^r，這樣就達到了
電機換向的目的。
當電機的轉動方向進行變換時，如果我們不控制，它的電流就會從兩個表的表頭開始，由于電機停下來的時候電流有保值的作用，這樣電流很有可能出現較大的跳變，即電機反向運行的時候會產生抖動。
解決步進電機換向時抖動問題的方法步驟如下當電機的轉動方向改變時，假如電機停下來前是正轉，停下來的時候A相保值為sin(O)到sin(2;r)內的某一值(假如是表l中第200個點的值)，B相保值為對應點數的sin(l;r)到sin《;r)內的某一值(假如是表2中第200個點的值)，將這兩個值記下，
然后采用逐次比較法，在表2中找一個和表1中第200個點數值大小最接近點，即與我們記下的保值點的數字相差的絕對值和最小的點，同樣，在表1中找一個和表2中第200個點數值大小最接近點，同時滿足它們在每個表中的位置相同，即表l是第幾個點，表2也是第幾個點，這樣就可以保證電機轉向后相位差仍然是完整的|"，電機反向時，就從這個點處開始
運行，由于保證了電流不跳變，也就保證了電機運行的平穩性。
與已有技術相比，本發明方法的有益效果表現在
1、本實用新型電路產生了幅度一樣，相位差是精確^r三相正弦波電
3
流信號，同時在換向的時候能夠較好的找到和保值電流值最接近的點，解決了換向時候電機的抖動問題，使步進電機運行的平穩性得到較大的提高。2、本發明的特點還在于可以根據實際加工需要，通過對單片機的開關口設置步進電機的工作模式來改變電機的轉速，以適應不同的零件加工情況，從而使改變電機轉速變得方便快捷，也使驅動器的通用性有了很大的提咼。
圖1是三相正弦波電流信號產生電路結構框圖；圖2是兩相相位差|"正弦波電流信號產生電路圖3是三相正弦波電流信號產生電路圖4是三相步進電機繞組電流波形。
具體實施方式
圖1是三相正弦波電流信號產生電路結構框圖，該電路由單片機U1、D/A轉換器U2、運算放大器U3、晶振XTAL和信號合成電路組成，步進電機功率驅動電路的電流信號反饋到信號合成電路，與信號合成電路中的差分電路的U-1、 U-3輸入端相接。圖2是兩相相位差^;r正弦波電流信號產生電路，由單片機U1、 D/A轉換器U2、運算放大器U3和晶振XTAL組成，所述單片機Ul為ATTINY2313，脈沖信號CP從Ul的PD2輸入，轉向信號CW從Ul的PD6輸入，Ul的PD3、PD4、 PD5為設定電機工作模式的開關鍵，Ul的B 口輸出端12 19腳(PB0、PB7)分別接D/A轉換器U2的4、 3、 2、 1、 20、 19、 18、 17腳，其1腳經下拉電阻Rl接地，平時使PA2 口保持低電平。
所述D/A轉換器U2為TLC7528，所述運算放大器U3為TL084B， U2的9、 10、 12、 13腳分別接U3的8、 9、 2、 1腳，運算放大器U3的8、 6腳之間接有電阻R2， 13、 1腳之間接有電阻R3，其作用是調節比例大小，確定運放的放大倍數，A相正弦波電流信號VOA從運算放大器U3的14腳輸出，B相正弦波電流信號VOB從運算放大器U3的7腳輸出，所述晶振XTAL為10MH有源晶振，它的輸出端3腳接單片機U1的5腳。
圖3是三相正弦波電流信號產生電路圖，即三相正弦波信號合成電路圖，由差分電路U-1、 U-3，加法器U-2和反相器U-4組成，A相正弦波電流信號VOA與步進電機功率驅動模塊的電流反饋信號VOC分別經電阻R4、 R18接U-l的負端，B相正弦波電流信號VOB與步進電機功率驅動模塊的電流反饋信號VOD分別經電阻Rll、 R10接U-3的負端，VOA、 VOB之間接有電阻R6、 R9， VOC、 VOD之間接有電阻R5、 R8，它們的中點均接入加法器U-2的負端，差分電路U-1的輸出端與輸入負端之間接有電阻R19、電容C1、和電阻R20與電容C2的串接電路，U-3的輸出端與輸入負端之間接有電阻R12、電容C4、和電阻R13與電容C5的串接電路，加法器U-2輸出端與輸入負端之間接有電阻R7、電容C3， U-2輸出端經電阻R17接反相器U-4的輸入負端，U-4的輸出端與輸入負端之間接有電阻R16。
圖4是所得到的三相混和式步進電機繞組電流波形
本實用新型電路通過以下步驟得到幅值嚴格相等，相位差嚴格是^;r的
3
精確的步進電機三相電流信號
①首先在單片機內建立兩個標準正弦波的電流數值表，表1和表2，這兩個正弦波表都是一個完整的周期2;r，表l從sin(O)開始，至ljsin(2;r)結束，表2從sin(2;r)開始，到^(|力結束，在這兩個表中，我們取每個表中的正
弦波的點數是M個數值點，也就是一個完整的正弦波周期是由M個數值點組成，點數M根據工程實際，考慮加工的精度和效率在100 1000之間選擇；
② 根據實際加工需要，通過單片機的開關鍵預先設定電機工作模式，所謂工作模式不同，即所需電機的轉速不同，也就是采樣的間隔不同， 一個轉速對應一個工作模式， 一個采樣間隔；
③ 單片機復位后先判定出步進電機的工作模式(也就是電機實際的轉速需要，即每轉的步數)，當有脈沖信號CP和電機轉向邏輯控制信號CW輸入時，單片機由CW電平的高低判定電機的轉動方向，再根據電機的工作模式査表，得到采樣間隔值，單片機根據電機的轉動方向和采樣間隔值，不斷的把表中的數值按采樣間隔依次讀取,并通過單片機的B口輸出到D/A
轉換器，通過D/A轉換變成模擬量，再經過運算放大，即可得到兩相幅值
嚴格相等、相位差嚴格是2v的正弦波電流信號VOA和VOB;
3
④第三路信號由前面兩路合成產生，由信號合成電路對VOA與功率驅動電流反饋信號VOC差分得到VOA' ， VOB與功率驅動電流反饋信號VOD差分得到V0B',在V0A'和V0B'之間用一個加法器和一個反向器，就得到了第三相V0C'，最終產生出平滑驅動所需的三相幅值嚴格相等，相位差嚴格
是^;r的正弦波驅動電流；3
在合成第三相正弦波電流信號時，沒有直接用V0A和V0B，而是V0A和反饋信號V0C， V0B和反饋信號V0D差分形成的更穩定的正弦信號V0A'和V0B'，將功率驅動模塊的正弦電流信號反饋到合成電路，其目的是進一步提高電機運行的平穩性；
⑤當單片機檢測到CW電平跳變后，A不再査1的數值，而是開始查
表2的數值，B開始查表l的數值，査表的結果是B超前A^r，這樣就達
3
到了電機換向的目的。
具體的運行過程是CW脈沖信號到來后，由脈沖信號判定電機是正轉還是反轉，正轉時候就是A相輸出的是表1 sin(0)到sin(2;r)的數值，B相輸出的是表2 sin(|;r)到sin《;r)的數值;反轉的時候B相輸出的是表1 sin(O)到sin(2;r)的數值，A相輸出的是表2 sin(|;r)到sin《;r)的數值，假如轉向是正
向，當第一個脈沖來的時候(例如讀出電機的工作模式是l，也就是來第一個脈沖的時候對正弦波表中的第一個數采樣，來第二個脈沖時候對正弦波表中的第二個數采樣，以次類推，采樣數值的間隔為0，所謂的工作模式不同，也就是采樣的間隔不同，正是由于采樣間隔的設置不同，可以控制電機的每轉步數，使驅動器的通用性有了很大的提高)，先對表A采樣第一次，再對表B采樣第一次；來第二個脈沖的時候先對表A采樣第二次，再對表B采樣第二次，以次類推，工作模式和采樣間隔的設置要考慮加工精度、工作效率，結合經驗來選取。本實用新型電路解決步進電機換向時抖動問題的具體步驟如下
① 當電機的轉動方向改變時，假如電機停下來前是正轉，停下來的時候A相保值為sin(0)到sin(2;r)內的某一值(假如是表1中第200個點的值)，B相保值為對應點數的sin(l;r)到siri《0內的某一值(假如是表2中第200個點的值)，將這兩個值記下；
② 然后在表2中找一個和表1中第200個點數值大小最接近點，在表1中找一個和表2中第200個點數值大小最接近點，同時滿足它們在每個表中的位置相同(即表l是第幾個點，表2也是第幾個點)，這樣就可以保證電機轉向后相位差仍然是完整的#";
③ 所述數值大小最接近點，采用的是逐次比較法，從表頭一直比較到表尾，對應點的兩個數值和我們記下的保值點的數字相差的絕對值和最小的點，就是所要尋找的點，電機反向的時候就從這個點處開始運行。
換向的具體實施過程如下
在三相六拍的控制方式下，電機正轉時，A、 B、 C三相的通電狀態為
A-AB-B-BC-C-CA-A......，此時A領先B^， B領先C^;反轉時電機三
3 3
相六拍的控制方式為C-CB-B-BA-A-AC-C......，此時C領先， B領先
A^，這樣就達到了換向的目的。3
假設由D/A轉換器輸出的模擬量為A和B， A是由査表l得到，B是
由查表2得到，此時保證了 A超前B^;r;反相的時候實質上是保證B超前
3
A^;r就可以了，我們這里采用的方法是當單片機檢測到CW電平跳變后，3
A不再査1的數值，而是開始査表2的數值，B開始査表1的數值，査表的結果是B超前A^;r，這樣就達到了換向的目的。由于步進電機停下來時候電流是保值的，當電機的轉動方向進行變換時，如果不加以控制，轉向時候的電流是從表頭開始的。由于電機停下來的時候電流的保值作用，這樣電流很有可能出現較大的跳變，即電機反向運行的時候會產生抖動。
這里要解決一個問題怎樣保證電機反向的時候在兩個表里找到合適的點，保證電流不跳變，采用的方法是在表里尋找和原來的兩個值最接近的點，找到該點后開始從這個點運行，這樣就可以保證電機運行的平穩性。具體的尋找方法:假如電機停下來前是正轉，停下來的時候A相保值為sin(O)到sin(2;r)的數值，B相保值為對應點數的sin(|;r)至ljsin《;r)的數值(即A相
輸出的如果是表1中第200個點的值，B相輸出的也是表2中第200個點的值)，下面要做的就是在表2中找一個點和表1中第200個點數值大小最近，在表1中找一個點和表2中第200個點數值大小最近，同時滿足他們在每個表中的位置相同(即表1是第幾個點，表2也是第幾個點，這樣才能保證，我們用的逐次比較的方法，從表頭一直比較到表尾，對應點的兩個數值和我們的保值點的數字相差的絕對值和最小，則這個點就是我們所要尋找的點，電機反向的時候就從這個點處運行，由于保證了電流不跳變，也就保證了電機運行的平穩性。
權利要求1、一種步進電機平滑驅動三相正弦波電流信號產生電路，其特征在于該電路由單片機、D/A轉換器、運算放大器、晶振和信號合成電路組成，其中步進電機的脈沖信號CP、轉向信號CW、及晶振主頻信號分別從單片機的PD2、PD6、PA0口輸入，確定電機工作模式的開關鍵為PD3、PD4、PD5；單片機的PB0～PB7口分別接D/A轉換器的4、3、2、1、20、19、18、17腳，其1腳經下拉電阻R1接地；D/A轉換器的9、10、12、13腳分別接運算放大器的8、9、2、1腳，A相正弦波電流信號VOA從運算放大器的14腳輸出，B相正弦波電流信號VOB從運算放大器的7腳輸出；運算放大器輸出的正弦波電流信號VOA和VOB與步進電機功率驅動模塊的電流反饋信號VOC、VOD分別輸入到信號合成電路差分運放輸入負端，經信號合成電路進行差分、相加、反相，最終產生出平滑驅動所需的三相正弦波驅動電流VOA′，VOB′，VOC′。
2、根據權利要求1所述的步進電機平滑驅動三相正弦波電流信號產 生電路，其特征在于所述單片機為ATTINY2313，所述D/A轉換器為 TLC7528，所述運算放大器為TL084B。
3、 根據權利要求1所述的步進電機平滑驅動三相正弦波電流信號產生電 路，其特征在于所述晶振XTAL為10MH有源晶振，它的輸出端3腳直接與單片機的PA0 口相接。
4、 根據權利要求1所述的步進電機平滑驅動三相正弦波電流信號產生 電路，其特征在于所述信號合成電路由差分運放電路(U-1) 、 (U-3)， 加法器(U-2)和反相器(U-4)組成，其中A相正弦波電流信號VOA與步進電機功率驅動模塊的電流反饋信號VOC分別經電阻R4、 R18接(U-l)的負端，B相正弦波電流信號VOB與步進電機功率驅動模塊的電流反饋信號VOD分別經電阻Rll、 R10接(U-3)的負端，VOA、 VOB之間接有電阻R6、 R9， VOC、 VOD之間接有電阻R5、 R8，它們的中點均接入加法器(U-2)的負端，差分電路(U-1)的輸出端與輸入負端之間接有電阻R19、電容C1、和電阻R20與電容C2的串接電路，(U-3)的輸出端與輸入負端之間接有電阻R12、電容C4、和電阻R13與電容C5的串接電路，加法器(U-2)輸出端與輸入負端之間接有電阻R7、電容C3， (U-2)輸出端經電阻R17接反相器(U-4)的輸入負端，(U-4)的輸出端與輸入負端之間接有電阻R16, (U-l)的輸出為VOA' ， (U-3)的輸出為VOB' , (U-4)的輸出為VOC'。
專利摘要本實用新型公開了一種步進電機平滑驅動三相正弦波電流信號產生電路，由單片機、D/A轉換器、運算放大器、晶振和信號合成電路組成，先由單片機、D/A轉換器、運算放大器、晶振產生兩相幅值嚴格相等、相位差嚴格是(2/3)π的正弦波電流信號VOA和VOB，VOA、VOB經信號合成電路進行差分、相加、反相，最終產生出平滑驅動所需的三相正弦波驅動電流，由于驅動電流嚴格符合要求并采取了防止電機換向時抖動的措施，大大提高了步進電機運行的平穩性。
文檔編號H02P8/14GK201345620SQ200820149649
公開日2009年11月11日 申請日期2008年10月9日 優先權日2008年10月9日
發明者張前進, 徐素莉 申請人:河南科技大學