步進(jìn)電機驅動(dòng)電路研究

步進(jìn)電機又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機, 是數字控制系統中的一種執行元件, 其功能是將脈沖電信號變換為相應的角位移或直線(xiàn)位移, 且其輸出轉角、轉速與輸入脈沖個(gè)數、頻率有著(zhù)嚴格的同步關(guān)系。雖然步進(jìn)電機是一種數控元件, 易于同數字電路接口, 但一般數字電路的信號能量遠遠不足以驅動(dòng)步進(jìn)電機, 必須有一個(gè)與之匹配的驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機。步進(jìn)電機的性能在很大程度上取決于驅動(dòng)器的優(yōu)劣。

2 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路基本組成及工作要求

2. 1基本組成步進(jìn)電機驅動(dòng)系統的原理如圖1 所示, 控制電路產(chǎn)生步進(jìn)電機所需要的電脈沖信號, 脈沖分配器把電脈沖信號按規定的方式分配給步進(jìn)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(jìn)電機所需的輸出功率, 必須經(jīng)過(guò)功率驅動(dòng)部分進(jìn)行放大。

圖1步進(jìn)電機驅動(dòng)系統方框圖

脈沖分配部分可以由硬件電路組成, 也可以由軟件實(shí)現。當脈沖分配由硬件實(shí)現時(shí), 步進(jìn)電機的驅動(dòng)系統包括脈沖分配和功率驅動(dòng)兩個(gè)部分; 當脈沖分配由軟件實(shí)現時(shí), 步進(jìn)電機驅動(dòng)系統實(shí)際上只包含功率驅動(dòng)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(jìn)電機對驅動(dòng)電路來(lái)講, 是一種感性負載, 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(shí)間。當步進(jìn)電機高速工作時(shí), 這些延時(shí)將顯著(zhù)影響步進(jìn)電機性能, 使輸出轉矩急劇下降。此外, 電流截止時(shí), 在相繞組的兩端還會(huì )產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢。為提高電機性能指標和系統的效率,對步進(jìn)電機驅動(dòng)電路一般有如下要求:

1) 通電周期內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(dòng)勢, 加快電流衰減;3) 要求驅動(dòng)電源效率高、功耗低;4) 要求驅動(dòng)電源運行可靠、穩定;5) 要求驅動(dòng)器的成本低、便于生產(chǎn)。

3 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路的幾種典型形式

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

3. 1單電壓驅動(dòng)電路單電壓驅動(dòng)是應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(xiàn)路簡(jiǎn)單, 成本低, 在繞組回路中串接電阻, 用以改善電路的時(shí)間常數以提高電機的高頻特性。缺點(diǎn)是: 串接電阻的做法將產(chǎn)生大量的熱, 功耗較大, 對驅動(dòng)電源的正常工作極其不利, 尤其在高頻工作時(shí)更加嚴重。因而它一般用于小功率或起動(dòng)、運行頻率要求不高的場(chǎng)合。

3. 2高低壓驅動(dòng)電路高低壓供電驅動(dòng)方式是在單電壓供電的基礎上,為了解決單電壓驅動(dòng)的快速性能不好而發(fā)展起來(lái)的一種供電技術(shù)。其基本思路是, 在脈沖到來(lái)時(shí), 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(shí)間大為縮短, 在相電流建立起來(lái)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, 使電源的驅動(dòng)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, 電機的矩頻特性很好, 起動(dòng)和運行頻率得到很大的提高。

但在高壓工作結束和低壓工作開(kāi)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恒流斬波驅動(dòng)電路為了彌補高低壓驅動(dòng)電路的高、低壓電流波形在連接處為凹形的缺陷, 發(fā)展了恒流驅動(dòng)技術(shù), 使步進(jìn)電機電流在額定值附近保持恒定。圖4 為一種恒流斬波驅動(dòng)電路原理圖, 為單極型驅動(dòng)方式, 它充分利用了現有的電源電壓, 能夠在較寬的頻率范圍內工作, 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性能比較各種驅動(dòng)電路性能比較見(jiàn)表1。

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