[科普中国]-脉冲分配

脉冲分配是用来控制步进电动机的通电运行方式的。其作用就是将数控装置送来的一串指令脉冲按照一定的顺序和分配方式，控制各相绕组的通、断电。

概念脉冲分配的形式在步进电动机驱动中分为二类：一类是其本身包括脉冲分配器，称为硬分配，数控装置只要发脉冲即可，每一个脉冲即对应电动机转过一个固定的角度：另一类是驱动装置没有脉冲分配器，脉冲分配需有数控装置中的计算机软件来完成，称为软分配，由数控装置直接控制步进电动机各相绕组的通、断电。

图1中，脉冲分配器的输入、输出信号一般均为TTL电平，输出A、B、C信号变为高电平则表示相应的绕组通电，低电平则表示相应的绕组失电；CP为数控装置发出的一串脉冲信号。每一个脉冲信号的上升或下降沿到来时，则改变一次绕组的通电状态；DIR为数控装置发出的方向信号，其电平的高低即对应电动机绕组通电顺序的改变，即步进电动机的正、反转，FULL/HALF用于控制电动机的整步(对三相步进电动机即为三拍运行)或半步(对三相步进电动机即为六拍运行)，一般情况下，根据需要将其接在固定的电平上即可。实用的环形分配器是集成化的专业电路芯片，这些芯片中通常还包括除环形分配器之外的其他功能，如功率放大等。

在图2中，脉冲分配直接由数控装置中的控制软件完成，输出TTL电平，驱动装置只进行功率放大。由于硬分配具有速度快、芯片外围电路简单等优点，大多数步进驱动装置采用硬分配的形式。1

步进电动机的软件脉冲分配随着工业自动化程度的提高，步进电动机的应用越来越广泛。环形分配器是步进电动机驱动系统中的一个重要组成部分。控制系统发来的步进脉冲经过环形分配器之后，再经功率放大形成电流，循环分配给步进电动机的每相绕组，使得步进电动机按照一定的方向进行转动。环形分配器通常分为硬环分和软环分两种。硬环分由数字逻辑电路构成，一般放在驱动器的内部。它不易实现变拍驱动，增加的硬件电路降低了驱动器的可靠性；软环分由控制系统用软件编程来实现，易于实现变拍驱动，节省了硬件电路，提高了系统的可靠性。研究针对三相反应式步进电动机，提出了一种用软件分配步进脉冲的方法，并对步进电动机的输出轴在下一次通电后如何保持上一次的角度位置进行了讨论。

软件脉冲分配的方法以一台经济型车床数控系统为例，介绍步进电动机的软件脉冲分配。如图3所示，该系统基于AT89S52单片机，利用扩展的8255A的PB口送出步进脉冲信号。经过驱动放大后，分别控制X、Z方向两个三相六拍反应式步进电动机激磁绕组的通电顺序，以控制刀架在X、Z两个方向的运动。

根据步进电动机的工作原理，只要不断改变绕组的通电状态，步进电动机即按规定的方向运转。软件分配脉冲采用查表法，按正向运转的通电顺序（如图4所示），列出各相绕组的脉冲分配表（如表1所示，表中“0”表示通电）。每个电动机设一个指针寄存器，初始化时使指针指向分配表的表首。步进电动机需要正向运行一步时，指针下移一行，同时输出该行的状态，当指针超出分配表表尾时自动回到表首；步进电动机反向运行时，指针上移一行，并输出该行的脉冲值，当指针超出表首时又自动回到表尾。这种算法的脉冲分配子程序框图如图5所示（以Z向电动机为例）。

分析可以看出，采用软件来分配步进电动机的走步脉冲时，对于每台电动机，控制系统硬件电路需要的输出口数目，取决于步进电动机的相数；至于步进电动机的脉冲分配方式（大步或小步），则要根据使用要求来决定。由于采用了软环分，只需改变部分软件，即可实现变拍驱动。

绕组通电状态的恢复步进电动机在实际应用中会遇到这样的问题：准确地控制步进电动机的转轴停在某一位置，关断电源，等待下一次上电；当功放电源接通时，电动机的转轴却偏离了原来的位置（不会太大，一般在几个步距角之内）。这种情况经常导致数控设备生产加工产生废品。出现这种现象的原因是，上电后控制系统没能恢复电动机原先的绕组通电状态。解决这一问题的方法如下：在步进电动机的脉冲分配程序中，每当输出一个状态之后，将当前电动机指针寄存器的值送到外部数据存储器进行保护。因为这些存储器通常采用随机存取的RAM芯片，一般都配有掉电保护电路，当电源切断后，RAM数据不会丢失。下次上电控制系统初始化时，先从RAM芯片取出通电状态，送给指针寄存器，不必对其进行加减操作，直接查表输出绕组的通电状态，这样就可保持上次的位置，电动机的转轴就不会产生偏移了。

研究结论研究提出的步进电动机软件脉冲分配的方法，成功地应用在多种经济型数控系统上。实践表明，采用软件环分简化了驱动电源的电路设计，节省了部分硬件开销，提高了驱动器的可靠性，并可方便地改变电动机运行的拍数。另外，对于驱动电源掉电后绕组通电状态的保存以及来电后通电状态的恢复，解决了步进电动机二次上电的定位问题。最后，需要指出的是，提出的这些方法，对于其它类型的步进电动机仍然适用。2

逆变器的同相层叠型SPWM脉冲分配方法级联多电平逆变器广泛用于高压大功率传动系统中，多电平逆变器可以分为二极管箝位型、飞跨电容型和级联型3种。多电平逆变器具有开关电压应力小、输出电平数多、可降低开关频率、du/dt小、能减小输出滤波器尺寸等优点。其中级联型逆变器具有易于模块化和相电压冗余的优点，但是需要独立电源供电，使得它非常适用于光伏发电系统，模块化多电平变换器（MMC）继承了H桥级联结构的优点，在柔性直流输电等特殊场合应用较多。多电平逆变器中，同相移幅载波层叠法因其输出线电压谐波畸变率（THD）低而受到越来越多的关注。然而，由于各级联模块单元相互独立，同相层叠（IPD）法具有其固有缺陷，即逆变器在传递有功功率时各级联模块存在功率不均衡问题。为解决这一问题，文献3采用了一种循环脉冲的IPD控制，实现了逆变器各级联单元功率平衡，并通过理论推导证明了IPD法相对其他移幅载波层叠（CD）法输出的线电压波形更优。根据相电压开关组合冗余的特点，通过随机分配法决定电源和开关的工作状态，以保证每个模块的工作机会相等。因此，循环脉冲IPD法往往需要经过较长的工作时间后，各单元利用率才能趋于相等，实现各模块的功率平衡，然而该方法对于需要频繁起停的场合效果不佳。提出在调制比较低时通过增加其他位置载波的频率以均衡各开关器件的工作频率，但是调制比过低时，有的开关无法获得脉冲信号，导致部分H桥单元无电压输出，即使增加载波频率也无法改变这一缺陷，所以该方法存在局限。在飞跨电容多电平逆变器中，通过增加零电平选择环节，合理分配零电平向量，改进后的IPD法能很好地平衡飞跨电容电压。研究提出了一种新型IPD型正弦脉宽调制（SPWM）脉冲分配方法，每1/4输出周期对触发脉冲进行轮换，经过3次轮换便可达到各级联单元间功率平衡，保证了线电压THD基本不变，同时分析了功率平衡的影响因素和输出线电压的谐波特性。该方法不仅在时间上比已有方案更短，而且对低调制比情形同样适用。仿真和实验验证了方案的可行性。

新型IPD型SPWM脉冲分配配策略为避免IPD控制下各H桥单元的输出时间、输出频率不相等导致的各桥间的功率失衡，需要对开关脉冲生成法进行改造或重组，已有研究表明，脉冲循环分配法和载波改造法是主要的2种功率均衡调制策略方法。然而，载波改造法的设计比较复杂，本文所提方法的思路源自脉冲循环分配法，即每1/4个周期轮换一次脉冲顺序。

IPD型脉冲分配策略与其他方法的优势对比新型IPD型SPWM脉冲分配策略改变了各H桥单元输出电压的时序，由IPD特性分析可知，H桥输出电压波形与对应的脉冲时序一致，结合对开关脉冲时序的分析可以总结出新型IPD的输出电压规律，表2为脉冲轮换后的新型IPD方法下H桥输出电压序列。

由于新型IPD输出电压仅仅是传统IPD输出电压的顺序轮换，因此每个时刻下三桥输出电压之和并没有发生改变。故新型IPD下多电平逆变器的输出相电压和线电压与传统IPD完全一致，新型IPD法具有和传统IPD法一致的相电压或线电压谐波特性。

脉冲循环分配法和载波改造法是主要的2种功率均衡调制策略方法。根据级联多电平逆变器相电压冗余的特点，以输出电压周期作为循环周期，每隔一个开关周期在满足输出电压电平数要求的开关组合中随机选择一组，以期对每个开关组合的利用达到均衡，随机算法的质量直接决定了功率均衡所需的时间，且功率平衡所需的时间无法估量。文中通过随机算法仿真，模拟每个开关周期产生的开关组合，当模拟次数达到10000次以上时，各开关的利用率趋于相等，接近功率平衡，然而根据SPWM的特点，至少需要1个载波周期才能发生新的脉冲，产生一组新的开关组合，大功率场合下开关频率不能太高，若调制波频率为50Hz，载波频率为10kHz，则每个工频周期产生200次开关组合，需要至少50个工频周期的时长才能实现功率均衡，功率平衡周期长，这在需要频繁起停的工况下是无法接受的，且实现方法严重依赖算法的效能，不利于估计实际工况下的效果。基于载波改造法的功率平衡策略将CPS法和IPD法的载波进行重组，以继承IPD法优点为目的，对CPS法的载波进行改造，使CPS法下的线电压谐波质量接近IPD法，同时具备了CPS法本身能在一个输出周期T内实现功率均衡的特点，效果显著，但是该类方法由于改变了载波，使输出电压的谐波特性发生变化，需要通过严格的数学方法验证，稍显复杂。

研究结论针对传统IPD法不能实现功率平衡这一缺陷，提出新型IPD型SPWM脉冲分配方法，每1/4周期将触发脉冲轮换。在不影响线电压波形质量的前提下，该方法经过3/4输出周期即可实现功率平衡，控制方法简单，易于实现，还可适用于调制比较低的场合。引入功率失衡度的概念，方便比较两两H桥单元功率不平衡的程度，分析了开关管功率损耗与H桥单元输出功率的关系。最后搭建了MATLAB/Simulink仿真平台和实验样机，仿真和实验结果皆达到预期的效果，证明了理论的可行性。该信号轮换的思想同样适用于其他类型的多电平逆变器。4

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学