脈衝分配

脈衝分配是用來控制步進電動機的通電運行方式的。其作用就是將數控裝置送來的一串指令脈衝按照一定的順序和分配方式，控制各相繞組的通、斷電。

基本介紹

• 中文名：脈衝分配
• 外文名：Pulse distribution
• 描述：控制步進電動機的通電運行方式
• 套用：步進電動機
• 學科：物理

概念

脈衝分配的形式在步進電動機驅動中分為二類：一類是其本身包括脈衝分配器，稱為硬分配，數控裝置只要發脈衝即可，每一個脈衝即對應電動機轉過一個固定的角度：另一類是驅動裝置沒有脈衝分配器，脈衝分配需有數控裝置中的計算機軟體來完成，稱為軟分配，由數控裝置直接控制步進電動機各相繞組的通、斷電。

圖1 硬分配驅動與數控裝置的連線

圖1中，脈衝分配器的輸入、輸出信號一般均為TTL電平，輸出A、B、C信號變為高電平則表示相應的繞組通電，低電平則表示相應的繞組失電；CP為數控裝置發出的一串脈衝信號。每一個脈衝信號的上升或下降沿到來時，則改變一次繞組的通電狀態；DIR為數控裝置發出的方向信號，其電平的高低即對應電動機繞組通電順序的改變，即步進電動機的正、反轉，FULL/HALF用於控制電動機的整步(對三相步進電動機即為三拍運行)或半步(對三相步進電動機即為六拍運行)，一般情況下，根據需要將其接在固定的電平上即可。實用的環形分配器是集成化的專業電路晶片，這些晶片中通常還包括除環形分配器之外的其他功能，如功率放大等。

圖2 軟分配驅動與數控裝置的連線

在圖2中，脈衝分配直接由數控裝置中的控制軟體完成，輸出TTL電平，驅動裝置只進行功率放大。由於硬分配具有速度快、晶片外圍電路簡單等優點，大多數步進驅動裝置採用硬分配的形式。

步進電動機的軟體脈衝分配

隨著工業自動化程度的提高，步進電動機的套用越來越廣泛。環形分配器是步進電動機驅動系統中的一個重要組成部分。控制系統發來的步進脈衝經過環形分配器之後，再經功率放大形成電流，循環分配給步進電動機的每相繞組，使得步進電動機按照一定的方向進行轉動。環形分配器通常分為硬環分和軟環分兩種。硬環分由數字邏輯電路構成，一般放在驅動器的內部。它不易實現變拍驅動，增加的硬體電路降低了驅動器的可靠性；軟環分由控制系統用軟體編程來實現，易於實現變拍驅動，節省了硬體電路，提高了系統的可靠性。研究針對三相反應式步進電動機，提出了一種用軟體分配步進脈衝的方法，並對步進電動機的輸出軸在下一次通電後如何保持上一次的角度位置進行了討論。

圖3 步進電動機輸出控制原理圖

軟體脈衝分配的方法

以一台經濟型車床數控系統為例，介紹步進電動機的軟體脈衝分配。如圖3所示，該系統基於AT89S52單片機，利用擴展的8255A的PB口送出步進脈衝信號。經過驅動放大後，分別控制X、Z方向兩個三相六拍反應式步進電動機激磁繞組的通電順序，以控制刀架在X、Z兩個方向的運動。

圖4 步進電動機正、反轉時的繞組通電順序

根據步進電動機的工作原理，只要不斷改變繞組的通電狀態，步進電動機即按規定的方向運轉。軟體分配脈衝採用查表法，按正向運轉的通電順序（如圖4所示），列出各相繞組的脈衝分配表（如表1所示，表中“0”表示通電）。每個電動機設一個指針暫存器，初始化時使指針指向分配表的表首。步進電動機需要正向運行一步時，指針下移一行，同時輸出該行的狀態，當指針超出分配表表尾時自動回到表首；步進電動機反向運行時，指針上移一行，並輸出該行的脈衝值，當指針超出表首時又自動回到表尾。這種算法的脈衝分配子程式框圖如圖5所示（以Z向電動機為例）。

表1 步進電動機繞組通電順序表

分析可以看出，採用軟體來分配步進電動機的走步脈衝時，對於每台電動機，控制系統硬體電路需要的輸出口數目，取決於步進電動機的相數；至於步進電動機的脈衝分配方式（大步或小步），則要根據使用要求來決定。由於採用了軟環分，只需改變部分軟體，即可實現變拍驅動。

繞組通電狀態的恢復

步進電動機在實際套用中會遇到這樣的問題：準確地控制步進電動機的轉軸停在某一位置，關斷電源，等待下一次上電；當功放電源接通時，電動機的轉軸卻偏離了原來的位置（不會太大，一般在幾個步距角之內）。這種情況經常導致數控設備生產加工產生廢品。出現這種現象的原因是，上電後控制系統沒能恢復電動機原先的繞組通電狀態。解決這一問題的方法如下：在步進電動機的脈衝分配程式中，每當輸出一個狀態之後，將當前電動機指針暫存器的值送到外部數據存儲器進行保護。因為這些存儲器通常採用隨機存取的RAM晶片，一般都配有掉電保護電路，當電源切斷後，RAM數據不會丟失。下次上電控制系統初始化時，先從RAM晶片取出通電狀態，送給指針暫存器，不必對其進行加減操作，直接查表輸出繞組的通電狀態，這樣就可保持上次的位置，電動機的轉軸就不會產生偏移了。

圖5 Z向電動機脈衝分配子程式框圖

研究結論

研究提出的步進電動機軟體脈衝分配的方法，成功地套用在多種經濟型數控系統上。實踐表明，採用軟體環分簡化了驅動電源的電路設計，節省了部分硬體開銷，提高了驅動器的可靠性，並可方便地改變電動機運行的拍數。另外，對於驅動電源掉電後繞組通電狀態的保存以及來電後通電狀態的恢復，解決了步進電動機二次上電的定位問題。最後，需要指出的是，提出的這些方法，對於其它類型的步進電動機仍然適用。

逆變器的同相層疊型SPWM脈衝分配方法

級聯多電平逆變器廣泛用於高壓大功率傳動系統中，多電平逆變器可以分為二極體箝位型、飛跨電容型和級聯型3種。多電平逆變器具有開關電壓應力小、輸出電平數多、可降低開關頻率、du/dt小、能減小輸出濾波器尺寸等優點。其中級聯型逆變器具有易於模組化和相電壓冗餘的優點，但是需要獨立電源供電，使得它非常適用於光伏發電系統，模組化多電平變換器（MMC）繼承了H橋級聯結構的優點，在柔性直流輸電等特殊場合套用較多。多電平逆變器中，同相移幅載波層疊法因其輸出線電壓諧波畸變率（THD）低而受到越來越多的關注。然而，由於各級聯模組單元相互獨立，同相層疊（IPD）法具有其固有缺陷，即逆變器在傳遞有功功率時各級聯模組存在功率不均衡問題。為解決這一問題，文獻採用了一種循環脈衝的IPD控制，實現了逆變器各級聯單元功率平衡，並通過理論推導證明了IPD法相對其他移幅載波層疊（CD）法輸出的線電壓波形更優。根據相電壓開關組合冗餘的特點，通過隨機分配法決定電源和開關的工作狀態，以保證每個模組的工作機會相等。因此，循環脈衝IPD法往往需要經過較長的工作時間後，各單元利用率才能趨於相等，實現各模組的功率平衡，然而該方法對於需要頻繁起停的場合效果不佳。提出在調製比較低時通過增加其他位置載波的頻率以均衡各開關器件的工作頻率，但是調製比過低時，有的開關無法獲得脈衝信號，導致部分H橋單元無電壓輸出，即使增載入波頻率也無法改變這一缺陷，所以該方法存在局限。在飛跨電容多電平逆變器中，通過增加零電平選擇環節，合理分配零電平向量，改進後的IPD法能很好地平衡飛跨電容電壓。研究提出了一種新型IPD型正弦脈寬調製（SPWM）脈衝分配方法，每1/4輸出周期對觸發脈衝進行輪換，經過3次輪換便可達到各級聯單元間功率平衡，保證了線電壓THD基本不變，同時分析了功率平衡的影響因素和輸出線電壓的諧波特性。該方法不僅在時間上比已有方案更短，而且對低調製比情形同樣適用。仿真和實驗驗證了方案的可行性。

新型IPD型SPWM脈衝分配配策略

為避免IPD控制下各H橋單元的輸出時間、輸出頻率不相等導致的各橋間的功率失衡，需要對開關脈衝生成法進行改造或重組，已有研究表明，脈衝循環分配法和載波改造法是主要的2種功率均衡調製策略方法。然而，載波改造法的設計比較複雜，本文所提方法的思路源自脈衝循環分配法，即每1/4個周期輪換一次脈衝順序。

IPD型脈衝分配策略與其他方法的優勢對比

新型IPD型SPWM脈衝分配策略改變了各H橋單元輸出電壓的時序，由IPD特性分析可知，H橋輸出電壓波形與對應的脈衝時序一致，結合對開關脈衝時序的分析可以總結出新型IPD的輸出電壓規律，表2為脈衝輪換後的新型IPD方法下H橋輸出電壓序列。

表 2 輸出電壓順序

由於新型IPD輸出電壓僅僅是傳統IPD輸出電壓的順序輪換，因此每個時刻下三橋輸出電壓之和並沒有發生改變。故新型IPD下多電平逆變器的輸出相電壓和線電壓與傳統IPD完全一致，新型IPD法具有和傳統IPD法一致的相電壓或線電壓諧波特性。

脈衝循環分配法和載波改造法是主要的2種功率均衡調製策略方法。根據級聯多電平逆變器相電壓冗餘的特點，以輸出電壓周期作為循環周期，每隔一個開關周期在滿足輸出電壓電平數要求的開關組合中隨機選擇一組，以期對每個開關組合的利用達到均衡，隨機算法的質量直接決定了功率均衡所需的時間，且功率平衡所需的時間無法估量。文中通過隨機算法仿真，模擬每個開關周期產生的開關組合，當模擬次數達到10000次以上時，各開關的利用率趨於相等，接近功率平衡，然而根據SPWM的特點，至少需要1個載波周期才能發生新的脈衝，產生一組新的開關組合，大功率場合下開關頻率不能太高，若調製波頻率為50Hz，載波頻率為10kHz，則每個工頻周期產生200次開關組合，需要至少50個工頻周期的時長才能實現功率均衡，功率平衡周期長，這在需要頻繁起停的工況下是無法接受的，且實現方法嚴重依賴算法的效能，不利於估計實際工況下的效果。基於載波改造法的功率平衡策略將CPS法和IPD法的載波進行重組，以繼承IPD法優點為目的，對CPS法的載波進行改造，使CPS法下的線電壓諧波質量接近IPD法，同時具備了CPS法本身能在一個輸出周期T內實現功率均衡的特點，效果顯著，但是該類方法由於改變了載波，使輸出電壓的諧波特性發生變化，需要通過嚴格的數學方法驗證，稍顯複雜。

研究結論

針對傳統IPD法不能實現功率平衡這一缺陷，提出新型IPD型SPWM脈衝分配方法，每1/4周期將觸發脈衝輪換。在不影響線電壓波形質量的前提下，該方法經過3/4輸出周期即可實現功率平衡，控制方法簡單，易於實現，還可適用於調製比較低的場合。引入功率失衡度的概念，方便比較兩兩H橋單元功率不平衡的程度，分析了開關管功率損耗與H橋單元輸出功率的關係。最後搭建了MATLAB/Simulink仿真平台和實驗樣機，仿真和實驗結果皆達到預期的效果，證明了理論的可行性。該信號輪換的思想同樣適用於其他類型的多電平逆變器。