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步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)功率很低,，如用TTL數(shù)字集成電路提供的5V/18mA信號(hào)進(jìn)行控制,。而產(chǎn)生1.2N.m轉(zhuǎn)矩的磁阻式步進(jìn)電機(jī)，通常需要5V/3A的額定值對(duì)繞組勵(lì)磁,。因此,，控制電路連接到步進(jìn)電機(jī)前必須經(jīng)過(guò)幾級(jí)開(kāi)關(guān)放大。許多制造廠已在提供與步進(jìn)電機(jī)相匹配的驅(qū)動(dòng)電路,。不過(guò),，步進(jìn)電機(jī)用戶在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)仍有相當(dāng)大的改革余地。本節(jié)就步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的基本要求,，介紹其基本驅(qū)動(dòng)電路和一些常用的,、比較完善的驅(qū)動(dòng)電路。 由步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性可知,，若步進(jìn)電機(jī)以高速工作,，則電氣時(shí)間常數(shù)的影響顯著增大：導(dǎo)通期間，電流不能迅速上升到額定值,；截止期間,，繞組電流不能立即消失。因而,，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩明顯下降,。除此之外，勵(lì)磁繞組兩端在截止時(shí)刻還會(huì)產(chǎn)生很高的反電勢(shì),，若不采取措施,，則有可能損壞開(kāi)關(guān)元件。 針對(duì)這些問(wèn)題,，通常對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求：(1)能夠改善電流波形的上升沿和下降沿,，即產(chǎn)生接近矩形的電流波形,。考慮電路簡(jiǎn)單,，成本低等因素,。小功率步進(jìn)電機(jī)可通過(guò)串聯(lián)限流電阻減少時(shí)間常數(shù),拓寬工作頻率范圍。不過(guò),，為了維持電機(jī)靜止時(shí)的相電流額定值,，電源電壓必須增加。因此,，需要的直流電源容量比較大,。電機(jī)靜止時(shí)，電源輸出的主要部分消耗在串聯(lián)的限流電阻上,。這時(shí),，限流電阻上產(chǎn)生的熱量必須迅速散發(fā)，否則,，可能出現(xiàn)問(wèn)題,。由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)單的 串聯(lián)限流電阻是改善速度范圍的—種低效的方法,。對(duì)大功率或較大功率的步進(jìn)電機(jī)而言,，常使用高低壓或斬波等方式驅(qū)動(dòng)。這些驅(qū)動(dòng)方式雖然電路較復(fù)雜,，但驅(qū)動(dòng)特性好,，且有較高的效率。(2)設(shè)置供截止期間釋放電流流通的回路,，降低繞組兩端產(chǎn)生的反電勢(shì),，加快電流衰減。(3)要求驅(qū)動(dòng)電路的功耗低,、效率高,。 為了提高步進(jìn)電機(jī)定位的分辨率，減少過(guò)沖和抑制振蕩,，有時(shí)要求驅(qū)動(dòng)電路具有細(xì)分功能,，將常規(guī)的矩形波供電改變成階梯波供電。 1． 單極性驅(qū)動(dòng)電路 圖1是用于三相磁阻式步進(jìn)電機(jī)的一種簡(jiǎn)單的單極性驅(qū)動(dòng)電路,。每相繞組由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路勵(lì)磁,，驅(qū)動(dòng)電路出小功率“相控制信號(hào)”控制。這個(gè)控制信號(hào)經(jīng)過(guò)
放大加到開(kāi)關(guān)管的 基極,，控制相繞組的導(dǎo)通或截止,。若注入開(kāi)關(guān)管基極的電流足夠大，則開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通(壓降為0.1V左右)，相繞組受到勵(lì)磁,。直流電壓幾乎全部加在相繞組和與它串聯(lián)的限流電阻上,。 VS＝I(r+R) (1) 式中 r為相繞組電阻；R為限流電阻,；VS 為產(chǎn)生額定繞組電流I的直流電源電壓,。 通常，相繞組的電感很大,，因此,，它的電氣時(shí)間常數(shù)(電感／電阻)大。相電流上升到額定位的建立過(guò)程顯得太慢,。為了在高速情況下獲得令人滿意的電機(jī)動(dòng)作，通過(guò)增加限流電阻,，并同時(shí)成比例地增加電源電壓,，能夠減少相電路的電氣時(shí)間常數(shù)，因而電機(jī)能在很大的速度范圍內(nèi)工作,。 相繞組電感的另—種影響是相電流不能立即切斷,。如果突然去掉開(kāi)關(guān)晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電流，晶體管的集電極和發(fā)射極之間將出現(xiàn)一個(gè)很大的感應(yīng)電壓,，這個(gè)電壓可能使驅(qū)動(dòng)電路損壞,。為了避免這種危險(xiǎn)，常為相電流提供另一條電流通路-釋放電路,。切斷開(kāi)關(guān)晶體管時(shí),，相電流能夠沿著由釋放二極管和釋放電阻Rf提供的通路衰減。如果相電流已達(dá)到它的額定值I,，則斷開(kāi)晶體管開(kāi)關(guān)后,，開(kāi)關(guān)晶體管兩瑞立刻出現(xiàn)最大電壓(Voemax)。忽略釋放二極管兩端的正向壓降,，得： Voemax＝VS+RfI (2) 相電流在釋放電路里衰減,，斷開(kāi)時(shí)貯存在相電感里的磁能消耗在釋放回路電阻上(繞組電阻+限流電阻+釋放電阻)。 設(shè)計(jì)舉例：一臺(tái)三相磁阻式步進(jìn)電機(jī),，總的相繞組電阻為lΩ,，平均相電感為40mH；額定相電流為2A,。試設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的單極性驅(qū)動(dòng)電路,，該電路在相導(dǎo)通時(shí)它的電氣時(shí)間常數(shù)為2ms，截止時(shí)時(shí)間常數(shù)為l ms,。 由電氣時(shí)間常數(shù)＝電感／電阻,，考慮2ms的導(dǎo)通時(shí)間常數(shù)，總的相電阻＝40／2＝20Ω。因?yàn)槔@組電阻為總的相電阻提供了1Ω,，所以,，限流電阻＝19Ω。 這個(gè)電阻在該相連續(xù)受額定電流(2A)激勵(lì)時(shí),，必須能夠散發(fā)所產(chǎn)生的能耗,。因此， 額定功率=電流)2×(電阻)＝22×19＝76W,。 直流電源電壓可以利用式(4.1)確定,電源電壓＝額定電流這個(gè)釋放電阻的功率取決于電機(jī)的工作速度,。截止時(shí)刻貯存在 相電感里的能量為： 貯存的能量＝電感×(電流)2/2＝40×4／2mW=0．08W。 貯存的這些能量消耗在相電阻和釋放電阻上,。在這個(gè)例子里,，相電阻和釋放電阻相等，因此,，每當(dāng)對(duì)應(yīng)的相截止時(shí),，貯藏的能量一半消耗在釋放電阻上。例如,，在每秒600步的情況下,，三相中的每一相每秒鐘截止200次,。消耗在釋放電阻上的平均功率為200×0.04W＝8W,。高速下的功耗分析比較復(fù)雜,，因?yàn)榻刂箷r(shí)的相電流本身是工作速度的函數(shù)。假定相電流已經(jīng)達(dá)到了它的額定值,，以此為依據(jù),，可得到釋放電阻在“最壞情況”下的功耗估計(jì)值。 最后,，討論兩個(gè)半導(dǎo)體器件,。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，釋放二極管必須經(jīng)受得住等于直流電源電壓的反向電壓,；當(dāng)晶體管剛剛截止時(shí),，它必須能通過(guò)等于額定相電流的峰值正向電流。開(kāi)關(guān)晶體管必須能承受由式(2)確定的集電極-發(fā)射極電壓：Voemax＝VS+RfI＝40×(20×2)＝80V,。 這只晶體管必須能通過(guò)相電流(2A),；在飽和的情況下必須有盡可能高的電流增益。 2．（高低）雙電壓驅(qū)動(dòng)電路 高低壓驅(qū)動(dòng)電路里有兩種電源電壓,。接通或截止相電流時(shí)使用高電壓,；繼續(xù)勵(lì)磁期間使用低電壓，把電流維持在額定值上,。 圖2是單極性高低壓驅(qū)動(dòng)電路中的一相電路,。開(kāi)始激勵(lì)繞時(shí),，兩只晶體管Tl和T2導(dǎo)通，因此,，加在相繞組上的電壓等于兩個(gè)電源電壓之和（VL+VH）,，二極管D2受VH反偏。因沒(méi)有串聯(lián)電阻限制電流,，因此,，它開(kāi)始迅速上升。經(jīng)過(guò)很短時(shí)間,，晶體管T2截止,，繞組電流沿電源電壓VL、二極管D2和晶體管Tl流動(dòng),。 繞組額定電流由電壓VL維持,，經(jīng)過(guò)選擇可使VL／R＝額定電流。相激勵(lì)結(jié)時(shí),，晶體管Tl也截止,。繞組電流沿著經(jīng)過(guò)二極管Dl和D2的通路流動(dòng)。因?yàn)獒尫磐防锇芨叩碾娫措妷篤H,，所以電流迅速衰減。 低壓驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單,，只要求控制電路正確控制每次勵(lì)磁開(kāi)始階段晶體管T2的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻,。因?yàn)檫@個(gè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間由繞組時(shí)間常數(shù)決定，為一固定值,，所以,，可用相勵(lì)磁信號(hào)觸發(fā)一個(gè)固定周期的單穩(wěn)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 前面在分析驅(qū)動(dòng)電路性能時(shí)未考慮由轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的電壓,。一旦繞組電流建立了,，只有低壓電源有效；這個(gè)電壓也許不足以克服其余勵(lì)磁時(shí)間間隔里內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的電壓,。這是高低壓驅(qū)動(dòng)電路存在的一個(gè)缺點(diǎn),。 3．?dāng)夭?qū)動(dòng)電路 以單極性形式描述的斬波驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，它的電源電壓比較高,，每當(dāng)電流降到額定
值之下時(shí),，電源電壓就加到相繞組上。 如果存在相勵(lì)磁信號(hào)(勵(lì)磁期間,，晶體管T1導(dǎo)通),，晶體管T2的基極驅(qū)動(dòng)則受繞組電流在小電阻RC上的壓降VC控制。因?yàn)橄嚯娏鏖_(kāi)始時(shí)為零,，VC等于零,，此時(shí)令晶體管T2導(dǎo)通。全部電源電壓加在相繞組上，如圖3定時(shí)圖所示,。在電源電壓的作用下,，相電流迅速上升，直到稍微超過(guò)額定值I,。此時(shí),，控制電壓為 R0I+e,足以截止晶體管T2。T2截止后,，外電壓不再加在相繞組上,，電流沿包含T1、 R0和二極管D1的通路衰減,。這個(gè)電流通路的電阻很小,，沒(méi)有反向電壓，因此,，電流衰減比較慢,。因?yàn)殡娮鑂0仍包括在電路里，所以能夠監(jiān)視繞組電流,；當(dāng)控制電壓降到R0I-e時(shí),，晶
體管T2再次導(dǎo)通。全部電源電壓又 加在繞組上,，電流迅速上生到稍大于額定值,。在整個(gè)激磁時(shí)間里重復(fù)這種循環(huán)，通過(guò)“通-斷”閉環(huán)控制使繞組電流維持在它的額定值附近,。 激磁結(jié)束后,，兩只晶體管都截止，繞組電流經(jīng)過(guò)二極管Dl和D2釋放,。電流回路包含反向的電源電壓,，它強(qiáng)迫電流迅速降到零。截止時(shí)刻貯存在繞組電感里的大部分能量返回到電源,，因此,，系統(tǒng)效率很高。 斬被驅(qū)動(dòng)的控制電路比較復(fù)雜,，例如,，T2的基極驅(qū)動(dòng)需要有一個(gè)控制電壓為VC的史密特觸發(fā)電路，以此產(chǎn)生躍遷電平,。如果這些電平?jīng)]有被很好隔開(kāi),，則晶體管T2以很高頻率導(dǎo)通和截止，對(duì)鄰近設(shè)備引起干擾和在電機(jī)里產(chǎn)生附加鐵損,。（http://www.diangon.com/版權(quán)所有）然而,，斬波驅(qū)動(dòng)畢競(jìng)有很多優(yōu)點(diǎn)：充分利用了現(xiàn)有的電源電壓,，能夠在可能的最寬速度范圍內(nèi)工作，消除了限流電阻上的功耗,，系統(tǒng)效率非常高等,。 4．調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)
圖4斬波驅(qū)動(dòng)電流波形和晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)間 圖5 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的原理電路
圖6 一相驅(qū)動(dòng)電路的電路圖
對(duì)于16細(xì)分或更多細(xì)分的數(shù)字代碼也可以類似方式列出,。EPBOM輸出的數(shù)字代碼經(jīng)圖6中的DAC轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流值，再通過(guò)運(yùn)放A1轉(zhuǎn)換成給定電壓加到運(yùn)放A2的“+”端,。EPROM輸出的代碼越大,，加到A2的給定電壓越大,，流過(guò)電機(jī)繞組的電機(jī)為給定電壓／R也越大。最大代碼0FFH產(chǎn)生額定電流,；小于額定電流的驅(qū)動(dòng)電流分別由00H,、3FH、7FH和0BFH產(chǎn)生,。
圖6三相六拍4細(xì)分電流波形
圖7 細(xì)分驅(qū)動(dòng)和調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路框圖 |
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來(lái)自： 啟程的男孩 > 《步進(jìn)與伺服電機(jī)》
