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)過幾級(jí)開關(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，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，則有可能損壞開關(guān)元件。
針對(duì)這些問題，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?？紤]電路簡單，成本低等因素。小功率步進(jìn)電機(jī)可通過串聯(lián)限流電阻減少時(shí)間常數(shù),拓寬工作頻率范圍。不過，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(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 圖1 三相單極性驅(qū)動(dòng)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(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(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(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(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)電路比較簡單，只要求控制電路正確控制每次勵(lì)磁開始階段晶體管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 圖2單極性高低壓驅(qū)動(dòng)電路中的一相電路
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_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 圖3 斬波驅(qū)動(dòng)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(gè)激磁時(shí)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(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，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關(guān)時(shí)間
這是一種電源電壓隨工作頻率而變的驅(qū)動(dòng)方式。即低頻時(shí)用低壓驅(qū)動(dòng)，高頻時(shí)用高壓驅(qū)動(dòng)。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(dòng)電路相比，這種驅(qū)動(dòng)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(dāng)控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的頻率變化時(shí)，積分器的輸出和比較器的輸出都跟著改變，從而達(dá)到改變調(diào)壓器輸出的目的。
5．細(xì)分驅(qū)動(dòng)
這種驅(qū)動(dòng)方式也叫做微步驅(qū)動(dòng)。它將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這時(shí)，繞組中的電流或經(jīng)過若干個(gè)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(dòng)電源的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是有如下特點(diǎn)：
(1)在不改變電機(jī)內(nèi)部參數(shù)的情況下，能使步距角減小，步進(jìn)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(xì)分后，驅(qū)動(dòng)電流的變化幅度大大減少，故轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡位置時(shí)的過剩能量也大為減少；另一方面，控制信號(hào)的頻率提高了N倍(細(xì)分?jǐn)?shù))，故可遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的低頻諧振頻率。因此，運(yùn)用細(xì)分驅(qū)動(dòng)不僅能使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，而且還能減弱或消除振蕩。
除了上述特點(diǎn)之外，因細(xì)分增加了運(yùn)行拍數(shù)，放還可獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
通常細(xì)分電路由細(xì)分環(huán)行分配器、放大器和合成器等部分組成?？梢韵确謩e放大環(huán)行分配器輸出的方波，然后在電機(jī)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(duì)階梯波放大去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。不過，這兩種細(xì)分電路的靈活性都比較差。近幾年來，國內(nèi)外常用微機(jī)控制細(xì)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(xì)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(shí)以不同大小的電流通入步進(jìn)電機(jī)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(xì)分平衡位置。于是，設(shè)計(jì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)轉(zhuǎn)化成為確定和產(chǎn)生對(duì)應(yīng)各個(gè)平衡位置應(yīng)通入各相繞組的電流大小。圖5是細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的原理電路圖。與細(xì)分電流對(duì)應(yīng)
圖5 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的原理電路
的數(shù)字代碼存在PROM或EPROM中。工作時(shí)，微機(jī)或計(jì)數(shù)電路按照要求對(duì)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)作微步轉(zhuǎn)動(dòng)。為保證恒流驅(qū)動(dòng)，A、B、C各相都引入反饋電流Ifb。
如果細(xì)分的平衡位置用n(θb/N)描述，其中N為步距角θb的細(xì)分?jǐn)?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(xì)分平衡位置的繞組電流，當(dāng)然i1、i2的表達(dá)式要復(fù)雜得多，將這些計(jì)算得到的電流大小轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字
代碼存入EPROM，工作時(shí)取出即可使用。
在要求精確細(xì)分的場合，i＝f (θ)的關(guān)系可由實(shí)驗(yàn)確定，用對(duì)應(yīng)實(shí)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(dòng)電路見圖6。此電路由可逆計(jì)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(jì)數(shù)器的計(jì)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(dòng)電路的電路圖。恒流電路輸出的電流流過與電機(jī)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(jìn)行比較，形成強(qiáng)烈的電流負(fù)反饋，以此保證供給繞組電流 圖6 一相驅(qū)動(dòng)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(xì)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(xì)分電流
波形，可在EPROM里存入下列數(shù)字代碼，見表1。 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7是以細(xì)分和調(diào)頻調(diào)壓兩種方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的原理圖。若去掉上半部分，外加恒定電壓，則成了純粹的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路。這時(shí)，微機(jī)輸出的分相信號(hào)控制整步運(yùn)動(dòng)規(guī)律。微機(jī)的另一組輸出控制每步中的細(xì)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也越大。當(dāng)微機(jī)輸出最大數(shù)據(jù)代碼，或PWM輸出最寬脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。若微機(jī)輸出的數(shù)據(jù)為最大值的1／64、1／32或1／l6，則電機(jī)將以步距角的l／64、1／32或l/16的微步運(yùn)動(dòng)。若微機(jī)輸出一串階梯形 圖6三相六拍4細(xì)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(jī)都將走θb／16微步。
圖7的上半部分是調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路。微機(jī)輸出的工作頻率信號(hào)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(dòng)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(xì)分驅(qū)動(dòng)和調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路框圖
越寬，因此，供應(yīng)給驅(qū)動(dòng)電路的電壓越高。 |