2  正弦电流驱动混合式电机驱动器设计原理
    数控机床的伺服驱动系统是连接数控控制器和机床本体(机械部分)的关键。它接受系统插补控制的位置指令脉冲，经过放大和转换驱动机床上的执行机构(滑台或刀架)，实现预期的运动。其功能直接关系到机床执行机构的静动态特性、工作精度、系统的稳定性。数控领域的驱动伺服系统通常采用各种电机实现。在小型和经济型数控系统广泛使用步进电机，在高中档机床通常使用交、直流伺服电机。我们针对经济型数控机床和普通机床改造的实际情况研制了一种配合三相混合式步进电机的伺服驱动装置。

    对通常的三相反应式步进电机通常采用的控制方法三相三拍，三相六拍，三相双三拍等，功率回路采用高低压双电源型、恒流斩波型、调频调压型等，其根本上都可归于单极性电压方波控制方法。而对混合式步进电机完全可以采用类似交流伺服电机的交流变频控制方法实施控制。混合式步进电机的转子是由永磁体制成，上面均匀分布若干小齿，定子绕组装有励磁绕组。当励磁定子绕组中通过一个电周期的波形回到初始状态时，转子转过一个齿距即一个步距角。当采用N步细分控制时，当输入N个步进脉冲时才相当于运行一个电周期，电机转动一个步距角。众所周知，细分控制可以改善电机的高低频距频特性，克服低频震荡、高频失步获得良好的运行特性。我们设计的步进电机驱动装置就是一种采用了交流伺服原理的细分驱动器。图1为该驱动装置的原理框图。

2.1 主回路
    主回路如图2所示，它采用了交-直-交型电路，直流部分采用降压型斩波调压电路。交流电首先经整流桥整流、电容滤波后得到直流电压，然后经斩波开关管降压，再输送到三相桥式逆变器变成调频调压的交流电压，输出到步进电机的三相定子绕组。逆变器的开关序列由电流闭环控制电路控制，形成三相正弦阶梯波。混合式步进电机在逆变器控制下发生转动。

    由于步进电机的绕组是电感线圈，在动态时存在一定的过渡时间。它使得功率器件在接通、关断时电流不能突变，即使本控制器存在电流闭环调节作用，在高频运行时电流环的响应速度不足以跟随给定运行速度频率，这使得高频时电流平均值变小，输出力矩下降。电机距频特性在高频时变软。
    为保证高频时力矩，设计了频率跟随调压电路。实现低频时较低的相电压，高频时较高的相电压。

    图3中，开关管作为斩波管，采用PWM方法实现定子电压的调节。驱动器输入脉冲进入F/V频压变换器生成与频率成正比的直流电压信号，再与三角波比较得到PWM信号，控制斩波开关管的通断，从而实现电机绕组电压的跟随调节.
2.2 位置脉冲接口及定子电流参考波形生成电路
    电路中有两个级连的8位可逆计数器。它们的输出构成三片EPROM的地址总线。数控系统发出的位置指令步进脉冲通过光电耦合器连接到低位可逆计数器的时钟输入端，方向控制信号连接到两个可逆计数器的升降计数控制端，快进脉冲信号接到高位可逆计数器的时钟输入端。当方向控制信号为高电平时，每个步进脉冲使EPROM的地址总线增一，每个快进脉冲使EPROM的地址总线增16，即相当于16个步进脉冲;当方向控制信号为低电平时，每个步进脉冲使EPROM的地址总线减一，每个步进脉冲使EPROM的地址总线减16。两片计数器的计数范围0-63335，所以可寻址范围为0-65535。该64K内存空间存放着对应某种细分度的电流参考波形表数据。表1中的数据是部分细分度的对应的数据。当高位地址线连接到拨码开关时可以选择多个细分数。在每个64K空间中，细分数越多，对应的电流波形频率越低。

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    于三相混合式步进电机的伺服驱动，需要设置三片EPROM，分别存放A相，B相，C相电流的参考波形，IA作为基准波形，IB滞后IA 120°，IC滞后IB 120°;也可用两片EPROM存放两相的电流波形，通过合成的方法得到第三相电流的参考波形。三相电流通过D/A转换器输出模拟交流电压波形，此波形就作为电流环电路的给定参考波形.

2.3 电流闭环PWM及死区电路
    当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降，通过恒流方式可以使在电机低频和高频时保持同样的相电流从而使高频的力矩特性有所改善;该电路将给定的正弦电流参考波形和经过霍尔电流传感器反馈的实际定子电流波形通过比较器进行比较，其结果形成的PWM波形控制变频电路开关器件的导通和关断。

    为防止同一桥臂两个开关管特性不一致造成的短路，设置了死区电路，如图5所示。该电路由电阻电容构成的RC环节和一个快速恢复二极管构成。当触发脉冲由低向高变化时，经过RC充电延时，推迟触发开关管的时间，当触发脉冲由高向低变化时，电容C上的电荷通过二极管迅速放掉，加快关闭开关管的时间。这样形成一种触发延时，关闭即时的驱动方式，保证同一桥臂上下两个开关管不会同时导通。通过调整RC充电时间常数可以调整不同死区时间。

     由于霍尔传感器的动态响应时间小于1μs，跟踪速度di/dt高于50A/μs，而且功率器件(IPM)工作频率很高，可以使系统响应非常快，对负载及参数变化不敏感。这个环节使得在每一个步进脉冲周期内，通过一系列功率器件的开关动作使定子电流逼近正弦电流参考波形，电机转动一细分步。同时，由于功率元件开关频率通常在几百kHz以上，使得运行时产生的噪音较低。 字

3  在数控系统中的应用
    图6是一种应用于车床数控系统的例子。系统控制器包含一块工业PC作为主控单元、一块自制多功能接口卡(MIC)、CRT显示器、操作面板。PC上运行实时调度程序实现机械零件加工程序的编辑、查错、预处理、离线仿真等并完成实时插补。插补结果作为数据以DMA方式发送到MIC上并发送给驱动装置。MIC由用于脉冲输出的基于89C51的单片机系统、用于主轴编码器手轮编码器的四倍频电路、可逆计数器、和一些与机床电器电路接口的数字输入输出接口组成。
开环运动系统在长期运行中不可避免的存在的积累误差。这个系统通过定期校验步进电机的z脉冲位置实现积累误差消除。 
    该系统采用的步进电机是110B