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高细分新型步进电机驱动系统设计

李秀红  
【摘要】: 步进电机是工业控制中广泛应用的一种电机,具有成本低及驱动电路简单的优点。随着可编程逻辑器件的发展,电机控制技术朝着全数字化方向发展。本文对三相混合式步进电机的全数字化控制进行了深入的研究,开发了一种以现场可编程逻辑器件(FPGA)为核心的新型集成式三相混合式步进电机驱动系统。该系统利用可编程技术,其硬件具有可重构性,大大降低了设计成本,而且性能比较优越。 首先,针对三相混合式步进电机开环运行时的振荡和失步问题,通过对步进电机运行特性的分析,提出正弦波细分驱动方案,并对细分运行的精度做了分析,以速度误差最小原则进行了最佳细分等级自动切换设计。同时对控制系统的电流闭环调节算法进行了改进,提出在不同运行状态下分别采用常规PID和参数自整定Fuzzy-PID控制方法,增强了控制系统的自适应能力。 其次,开发了三相混合式步进电机驱动系统的硬件电路,将控制器和驱动器全部集成在单一的FPGA芯片上,实现了集成式控制,提高了抗干扰能力。功率单元采用智能功率模块实现对电机的驱动。反馈部分采用高精度的霍尔电流传感器对绕组电流进行采样。这种硬件结构使该驱动系统具有体积小,性能可靠,驱动能力强,成本较低的优点。 再次,采用自顶向下的模块化设计,在Xilinx的ise7.1的开发环境中用VHDL硬件描述语言编写了电机控制系统的的各部分模块程序,并且进行了综合、实现和仿真,由数字硬件逻辑电路实现对步进电机的电流、转速和转向控制,PID调节和PWM调制。本文还对整个系统进行了优化,使系统可以在200MHz时钟频率下工作,提高了系统的控制精度。 最后,对系统进行了实验研究,给出了混合式步进电机在不同转速下定子绕组的电流波形。实验结果表明,本文开发研制的集成式三相混合式步进电机正弦波细分驱动系统具有优良的控制性能,驱动三相混合式步进电机在不同的细分模式下均可以平稳运行,从而改善了步进电机的低频性能。


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