步進電機系統(tǒng)的控制信號功率很低，如用TTL數(shù)字集成電路提供的5V/18mA信號進行控制。而產(chǎn)生1.2N.m轉(zhuǎn)矩的磁阻式步進電機，通常需要5V/3A的額定值對繞組勵磁。因此，控制電路連接到步進電機前必須經(jīng)過幾級開關(guān)放大。許多制造廠已在提供與步進電機相匹配的驅(qū)動電路。不過，步進電機用戶在這個領(lǐng)域內(nèi)仍有相當大的改革余地。本節(jié)就步進電機對驅(qū)動電路的基本要求，介紹其基本驅(qū)動電路和一些常用的、比較完善的驅(qū)動電路。由步進電機的動態(tài)特性可知，若步進電機以高速工作，則電氣時間常數(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，步進電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩明顯下降。除此之外，勵磁繞組兩端在截止時刻還會產(chǎn)生很高的反電勢，若不采取措施，則有可能損壞開關(guān)元件。針對這些問題，通常對驅(qū)動電路有如下要求：(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。考慮電路簡單，成本低等因素。小功率步進電機可通過串聯(lián)限流電阻減少時間常數(shù),拓寬工作頻率范圍。不過，為了維持電機靜止時的相電流額定值，電源電壓必須增加。因此，需要的直流電源容量比較大。電機靜止時，電源輸出的主要部分消耗在串聯(lián)的限流電阻上。這時，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)問題。由此可見，簡單的串聯(lián)限流電阻是改善速度范圍的—種低效的方法。對大功率或較大功率的步進電機而言，常使用高低壓或斬波等方式驅(qū)動。這些驅(qū)動方式雖然電路較復(fù)雜，但驅(qū)動特性好，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，加快電流衰減。(3)要求驅(qū)動電路的功耗低、效率高。為了提高步進電機定位的分辨率，減少過沖和抑制振蕩，有時要求驅(qū)動電路具有細分功能，將常規(guī)的矩形波供電改變成階梯波供電。1． 單極性驅(qū)動電路圖1是用于三相磁阻式步進電機的一種簡單的單極性驅(qū)動電路。每相繞組由獨立的驅(qū)動電路勵磁，驅(qū)動電路出小功率“相控制信號”控制。這個控制信號經(jīng)過 圖1 三相單極性驅(qū)動電路及釋放電流通路 放大加到開關(guān)管的基極，控制相繞組的導(dǎo)通或截止。若注入開關(guān)管基極的電流足夠大，則開關(guān)管飽和導(dǎo)通(壓降為0.1V左右)，相繞組受到勵磁。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，它的電氣時間常數(shù)(電感／電阻)大。相電流上升到額定位的建立過程顯得太慢。為了在高速情況下獲得令人滿意的電機動作，通過增加限流電阻，并同時成比例地增加電源電壓，能夠減少相電路的電氣時間常數(shù)，因而電機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。如果突然去掉開關(guān)晶體管的基極驅(qū)動電流，晶體管的集電極和發(fā)射極之間將出現(xiàn)一個很大的感應(yīng)電壓，這個電壓可能使驅(qū)動電路損壞。為了避免這種危險，常為相電流提供另一條電流通路-釋放電路。切斷開關(guān)晶體管時，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。如果相電流已達到它的額定值I，則斷開晶體管開關(guān)后，開關(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，斷開時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)計舉例：一臺三相磁阻式步進電機，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)計一個簡單的單極性驅(qū)動電路，該電路在相導(dǎo)通時它的電氣時間常數(shù)為2ms，截止時時間常數(shù)為l ms。由電氣時間常數(shù)＝電感／電阻，考慮2ms的導(dǎo)通時間常數(shù)，總的相電阻＝40／2＝20Ω。因為繞組電阻為總的相電阻提供了1Ω，所以，限流電阻＝19Ω。這個電阻在該相連續(xù)受額定電流(2A)激勵時，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＝額定電流這個釋放電阻的功率取決于電機的工作速度。截止時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。在這個例子里，相電阻和釋放電阻相等，因此，每當對應(yīng)的相截止時，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，因為截止時的相電流本身是工作速度的函數(shù)。假定相電流已經(jīng)達到了它的額定值，以此為依據(jù)，可得到釋放電阻在“最壞情況”下的功耗估計值。最后，討論兩個半導(dǎo)體器件。當晶體管導(dǎo)通時，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；當晶體管剛剛截止時，它必須能通過等于額定相電流的峰值正向電流。開關(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)動電路 高低壓驅(qū)動電路里有兩種電源電壓。接通或截止相電流時使用高電壓；繼續(xù)勵磁期間使用低電壓，把電流維持在額定值上。圖2是單極性高低壓驅(qū)動電路中的一相電路。開始激勵繞時，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電源電壓之和（VL+VH），二極管D2受VH反偏。因沒有串聯(lián)電阻限制電流，因此，它開始迅速上升。經(jīng)過很短時間，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。繞組額定電流由電壓VL維持，經(jīng)過選擇可使VL／R＝額定電流。相激勵結(jié)時，晶體管Tl也截止。繞組電流沿著經(jīng)過二極管Dl和D2的通路流動。因為釋放通路里包含很高的電源電壓VH，所以電流迅速衰減。 低壓驅(qū)動電路比較簡單，只要求控制電路正確控制每次勵磁開始階段晶體管T2的導(dǎo)通和關(guān)斷時刻。因為這個晶體管的導(dǎo)通時間由繞組時間常數(shù)決定，為一固定值，所以，可用相勵磁信號觸發(fā)一個固定周期的單穩(wěn)電路來實現(xiàn)。前面在分析驅(qū)動電路性能時未考慮由轉(zhuǎn)子運動感應(yīng)的電壓。一旦繞組電流建立了，只有低壓電源有效；這個電壓也許不足以克服其余勵磁時間間隔里內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的電壓。這是高低壓驅(qū)動電路存在的一個缺點。3．斬波驅(qū)動電路以單極性形式描述的斬波驅(qū)動電路如圖2所示，它的電源電壓比較高，每當電流降到額定 圖2單極性高低壓驅(qū)動電路中的一相電路值之下時，電源電壓就加到相繞組上。如果存在相勵磁信號(勵磁期間，晶體管T1導(dǎo)通)，晶體管T2的基極驅(qū)動則受繞組電流在小電阻RC上的壓降VC控制。因為相電流開始時為零，VC等于零，此時令晶體管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，直到稍微超過額定值I。此時，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。這個電流通路的電阻很小，沒有反向電壓，因此，電流衰減比較慢。因為電阻R0仍包括在電路里，所以能夠監(jiān)視繞組電流；當控制電壓降到R0I-e時，晶 圖3 斬波驅(qū)動電路體管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。在整個激磁時間里重復(fù)這種循環(huán)，通過“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)過二極管Dl和D2釋放。電流回路包含反向的電源電壓，它強迫電流迅速降到零。截止時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)動的控制電路比較復(fù)雜，例如，T2的基極驅(qū)動需要有一個控制電壓為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，則晶體管T2以很高頻率導(dǎo)通和截止，對鄰近設(shè)備引起干擾和在電機里產(chǎn)生附加鐵損。（http://www.diangon.com/版權(quán)所有）然而，斬波驅(qū)動畢競有很多優(yōu)點：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

圖4斬波驅(qū)動電流波形和晶體管開關(guān)時間這是一種電源電壓隨工作頻率而變的驅(qū)動方式。即低頻時用低壓驅(qū)動，高頻時用高壓驅(qū)動。因電壓隨頻率而變，故既可提高高頻輸出，又能避免低頻可能出現(xiàn)的振蕩。與一般驅(qū)動電路相比，這種驅(qū)動電路增加了一套比較電路和調(diào)壓電路。調(diào)壓電路輸出的電壓高低由比較器的輸出控制，而比較器的輸出又由積分器的輸出與鋸齒波發(fā)生器的比較結(jié)果決定。因此，當控制步進電機動作的頻率變化時，積分器的輸出和比較器的輸出都跟著改變，從而達到改變調(diào)壓器輸出的目的。5．細分驅(qū)動這種驅(qū)動方式也叫做微步驅(qū)動。它將電機繞組中的電流細分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這時，繞組中的電流或經(jīng)過若干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降到零。雖然這種驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是有如下特點：(1)在不改變電機內(nèi)部參數(shù)的情況下，能使步距角減小，步進誤差減小。即提高了分辨率和步距精度。(2)減弱了低頻振蕩問題。經(jīng)過細分后，驅(qū)動電流的變化幅度大大減少，故轉(zhuǎn)子到達平衡位置時的過剩能量也大為減少；另一方面，控制信號的頻率提高了N倍(細分數(shù))，故可遠離轉(zhuǎn)子的低頻諧振頻率。因此，運用細分驅(qū)動不僅能使電機運行平穩(wěn)，而且還能減弱或消除振蕩。除了上述特點之外，因細分增加了運行拍數(shù)，放還可獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩。通常細分電路由細分環(huán)行分配器、放大器和合成器等部分組成。可以先分別放大環(huán)行分配器輸出的方波，然后在電機繞組中疊加起來，形成階梯波；也可以先把環(huán)行分配器輸出的方波疊加在一起形成階梯波，然后對階梯波放大去驅(qū)動步進電機。不過，這兩種細分電路的靈活性都比較差。近幾年來，國內(nèi)外常用微機控制細分電路，使它的性能和使用的靈活性都有了顯著改善。以直線近似靜轉(zhuǎn)矩／位置曲線(T／θ曲線)，可說明細分工作原理。由T／θ曲線可知，(1)轉(zhuǎn)矩T與相電流i、位置θ的關(guān)系可表示為T＝f（i、θ）。若i不變，則T＝fi(θ)；θ固定，則T＝／fθ(i)。(2)各相T／θ曲線之間的位移為步距角θb。因此，若同時以不同大小的電流通入步進電機的兩相或幾相繞組中，各相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和為零的位置即為整步平衡位置之間的細分平衡位置。于是，設(shè)計細分驅(qū)動電路的主要任務(wù)轉(zhuǎn)化成為確定和產(chǎn)生對應(yīng)各個平衡位置應(yīng)通入各相繞組的電流大小。圖5是細分驅(qū)動電路的原理電路圖。與細分電流對應(yīng)

圖5 細分驅(qū)動電路的原理電路的數(shù)字代碼存在PROM或EPROM中。工作時，微機或計數(shù)電路按照要求對PROM尋址，PROM輸出的數(shù)字代碼經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電流，驅(qū)動步進電機作微步轉(zhuǎn)動。為保證恒流驅(qū)動，A、B、C各相都引入反饋電流Ifb。如果細分的平衡位置用n(θb/N)描述，其中N為步距角θb的細分數(shù)，n為整數(shù)1、2、3、…，則由平衡位置的總轉(zhuǎn)矩為零可求得各相電流的大小。若以正弦曲線近似特性曲線T／θ，也可得到各細分平衡位置的繞組電流，當然i1、i2的表達式要復(fù)雜得多，將這些計算得到的電流大小轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字代碼存入EPROM，工作時取出即可使用。在要求精確細分的場合，i＝f (θ)的關(guān)系可由實驗確定，用對應(yīng)實際電流值的數(shù)字代碼寫入EPROM。由硬件構(gòu)成的紉分驅(qū)動電路見圖6。此電路由可逆計數(shù)器、EPROM、D／A轉(zhuǎn)換器和恒流電路等幾部分組成。EPR0M由可逆計數(shù)器的計數(shù)輸出尋址；EPR0M的輸出經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓，并通過恒流電路向繞組供電。圖6是一相驅(qū)動電路的電路圖。恒流電路輸出的電流流過與電機繞組串聯(lián)的取樣電阻R，在其上產(chǎn)生的壓降與給定電壓進行比較，形成強烈的電流負反饋，以此保證供給繞組電流

圖6 一相驅(qū)動電路的電路圖的恒定。給定電壓大小由于 表1 為產(chǎn)生三相六拍4細分在EPROM里存入的數(shù)字代碼先存在BPRO M里的致字代碼決定。例如，為了產(chǎn)生圖7所示的三相六拍4細分電流波形，可在EPROM里存入下列數(shù)字代碼，見表1。

對于16細分或更多細分的數(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，再通過運放A1轉(zhuǎn)換成給定電壓加到運放A2的“+”端。EPROM輸出的代碼越大，加到A2的給定電壓越大，流過電機繞組的電機為給定電壓／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)動電流分別由00H、3FH、7FH和0BFH產(chǎn)生。圖7是以細分和調(diào)頻調(diào)壓兩種方式驅(qū)動步進電機的原理圖。若去掉上半部分，外加恒定電壓，則成了純粹的細分驅(qū)動控制電路。這時，微機輸出的分相信號控制整步運動規(guī)律。微機的另一組輸出控制每步中的細分。首先，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器將輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成為模擬量；然后，經(jīng)PWM電路變換成為輸出頻率固定但脈沖寬度可變的脈沖序列。微機輸出的數(shù)值越大，則PWM輸出的脈寬越寬，產(chǎn)生的相電流和電機轉(zhuǎn)動的角度也越大。當微機輸出最大數(shù)據(jù)代碼，或PWM輸出最寬脈沖時，步進電機將轉(zhuǎn)動一個步距角。若微機輸出的數(shù)據(jù)為最大值的1／64、1／32或1／l6，則電機將以步距角的l／64、1／32或l/16的微步運動。若微機輸出一串階梯形

圖6三相六拍4細分電流波形數(shù)據(jù)(比如：以步距角θb的1/16為增量)，則每次變化電機都將走θb／16微步。圖7的上半部分是調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路。微機輸出的工作頻率信號為f，經(jīng)f／V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為模擬電壓V，并用這一電壓控制PWM電路。PWM輸出寬度 可變的脈沖用來控制DC／DC變換器中的開關(guān)接通和關(guān)閉，調(diào)整(再經(jīng)濾波)向驅(qū)動電路供電的電壓。工作頻率越高，轉(zhuǎn)換后的模擬 電壓也越高；FWM輸出的脈沖

圖7 細分驅(qū)動和調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路框圖越寬，因此，供應(yīng)給驅(qū)動電路的電壓越高。

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