步進電機驅(qū)動電路研究

步進電機又稱脈沖電動機, 是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件, 其功能是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移, 且其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖個數(shù)、頻率有著嚴(yán)格的同步關(guān)系。雖然步進電機是一種數(shù)控元件, 易于同數(shù)字電路接口, 但一般數(shù)字電路的信號能量遠遠不足以驅(qū)動步進電機, 必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。步進電機的性能在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。

2 步進電機驅(qū)動電路基本組成及工作要求

2. 1基本組成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的原理如圖1 所示, 控制電路產(chǎn)生步進電機所需要的電脈沖信號, 脈沖分配器把電脈沖信號按規(guī)定的方式分配給步進電機各相勵磁繞組, 使各相勵磁繞組輪流接受脈沖信號的控制?？刂齐娐方?jīng)脈沖分配后輸出的信號很低, 不能提供步進電機所需的輸出功率, 必須經(jīng)過功率驅(qū)動部分進行放大。

圖1步進電機驅(qū)動系統(tǒng)方框圖

脈沖分配部分可以由硬件電路組成, 也可以由軟件實現(xiàn)。當(dāng)脈沖分配由硬件實現(xiàn)時, 步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)包括脈沖分配和功率驅(qū)動兩個部分; 當(dāng)脈沖分配由軟件實現(xiàn)時, 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)實際上只包含功率驅(qū)動部分, 控制電路多由微機及接口電路組成。

2. 2基本要求步進電機對驅(qū)動電路來講, 是一種感性負(fù)載, 流經(jīng)其中的電流不能突變, 相電流從零上升至額定值和從額定值下降至零, 都需一定時間。當(dāng)步進電機高速工作時, 這些延時將顯著影響步進電機性能, 使輸出轉(zhuǎn)矩急劇下降。此外, 電流截止時, 在相繞組的兩端還會產(chǎn)生很高的反電動勢。為提高電機性能指標(biāo)和系統(tǒng)的效率,對步進電機驅(qū)動電路一般有如下要求:

1) 通電周期內(nèi)能提供足夠大的矩形波或接近矩形波的電流;2) 具有供截止期間釋放電流的回路, 以降低相繞組兩端的反電動勢, 加快電流衰減;3) 要求驅(qū)動電源效率高、功耗低;4) 要求驅(qū)動電源運行可靠、穩(wěn)定;5) 要求驅(qū)動器的成本低、便于生產(chǎn)。

3 步進電機驅(qū)動電路的幾種典型形式

驅(qū)動電路中對步進電機性能有明顯影響的部分是功率放大電路輸出級的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年的發(fā)展與完善,驅(qū)動電路已形成相對固定的單電壓驅(qū)動電路、高低壓切換驅(qū)動電路、恒流斬波驅(qū)動電路等形式。

3. 1單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動是應(yīng)用最早的一種電路形式, 它的電路原理如圖2 所示。它的突出特點是線路簡單, 成本低, 在繞組回路中串接電阻, 用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。缺點是: 串接電阻的做法將產(chǎn)生大量的熱, 功耗較大, 對驅(qū)動電源的正常工作極其不利, 尤其在高頻工作時更加嚴(yán)重。因而它一般用于小功率或起動、運行頻率要求不高的場合。

3. 2高低壓驅(qū)動電路高低壓供電驅(qū)動方式是在單電壓供電的基礎(chǔ)上,為了解決單電壓驅(qū)動的快速性能不好而發(fā)展起來的一種供電技術(shù)。其基本思路是, 在脈沖到來時, 在電機繞組的兩端先施加一較高電壓, 從而使繞組的電流迅速建立, 使電流建立時間大為縮短, 在相電流建立起來之后, 改用低電壓, 以維持相電流的大小, 這樣做可以減小限流電阻的阻值甚至去掉限流電阻, 使電源的驅(qū)動效率大為提高。典型電路如圖3 所示。

這種電路的特點是電流波形得到了很大改善, 電機的矩頻特性很好, 起動和運行頻率得到很大的提高。

但在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處的電流波形呈凹形, 致使電機的輸出力矩有所下降。

3. 3恒流斬波驅(qū)動電路為了彌補高低壓驅(qū)動電路的高、低壓電流波形在連接處為凹形的缺陷, 發(fā)展了恒流驅(qū)動技術(shù), 使步進電機電流在額定值附近保持恒定。圖4 為一種恒流斬波驅(qū)動電路原理圖, 為單極型驅(qū)動方式, 它充分利用了現(xiàn)有的電源電壓, 能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)工作, 極大改善了電流波形、矩頻特性, 由于不需外接限流電阻, 故使能耗大為降低, 提高了電源效率。

3. 4性能比較各種驅(qū)動電路性能比較見表1。

4 結(jié)束語在步進電機產(chǎn)生后的幾十年里, 隨著控制技術(shù)及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展, 步進電機驅(qū)動電路也在不斷改進。從單電壓驅(qū)動到恒流斬波驅(qū)動, 各自有自己的優(yōu)缺點。但早期的晶體管單電壓驅(qū)動方式已基本淘汰,取而代之的是以恒流斬波技術(shù)為基礎(chǔ)的高性能驅(qū)動方式, 這種方式極大地改善了驅(qū)動電流波形, 使電流輸出基本恒定, 且系統(tǒng)功耗低, 電源效率高。在日益注重節(jié)能和環(huán)保的今天, 恒流斬波技術(shù)將具有非常廣泛的應(yīng)用前景。