步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路研究

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動機(jī), 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(jìn)電機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī), 必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路基本組成及工作要求

2. 1基本組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的原理如圖1 所示, 控制電路產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)各相勵磁繞組, 使各相勵磁繞組輪流接受脈沖信號的控制。控制電路經(jīng)脈沖分配后輸出的信號很低, 不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率, 必須經(jīng)過功率驅(qū)動部分進(jìn)行放大。

圖1步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)脈沖分配由硬件實(shí)現(xiàn)時, 步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)時, 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)際上只包含功率驅(qū)動部分, 控制電路多由微機(jī)及接口電路組成。

2. 2基本要求步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)高速工作時, 這些延時將顯著影響步進(jìn)電機(jī)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(jī)性能指標(biāo)和系統(tǒng)的效率,對步進(jìn)電機(jī)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(yùn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的幾種典型形式

驅(qū)動電路中對步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)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(jī)的高頻特性。缺點(diǎn)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(yùn)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(jī)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(diǎn)是電流波形得到了很大改善, 電機(jī)的矩頻特性很好, 起動和運(yùn)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(jī)的輸出力矩有所下降。

3. 3恒流斬波驅(qū)動電路為了彌補(bǔ)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路也在不斷改進(jìn)。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(diǎn)。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。