步进电机驱动电路研究
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1 引言 步进电机又称脉冲电动机, 是数字控制系统中的一种执行元件, 其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移, 且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。虽然步进电机是一种数控元件, 易于同数字电路接口, 但一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机, 必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机的性能在很大程度上取决于驱动器的优劣。 2 步进电机驱动电路基本组成及工作要求
图1步进电机驱动系统方框图
2. 2基本要求步进电机对驱动电路来讲, 是一种感性负载, 流经其中的电流不能突变, 相电流从零上升至额定值和从额定值下降至零, 都需一定时间。当步进电机高速工作时, 这些延时将显着影响步进电机性能, 使输出转矩急剧下降。此外, 电流截止时, 在相绕组的两端还会产生很高的反电动势。为提高电机性能指标和系统的效率,对步进电机驱动电路一般有如下要求: 1) 通电周期内能提供足够大的矩形波或接近矩形波的电流;2) 具有供截止期间释放电流的回路, 以降低相绕组两端的反电动势, 加快电流衰减;3) 要求驱动电源效率高、功耗低;4) 要求驱动电源运行可靠、稳定;5) 要求驱动器的成本低、便于生产。 3 步进电机驱动电路的几种典型形式 3. 1单电压驱动电路单电压驱动是应用最早的一种电路形式, 它的电路原理如图2 所示。它的突出特点是线路简单, 成本低, 在绕组回路中串接电阻, 用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。缺点是: 串接电阻的做法将产生大量的热, 功耗较大, 对驱动电源的正常工作极其不利, 尤其在高频工作时更加严重。因而它一般用于小功率或起动、运行频率要求不高的场合。
3. 2高低压驱动电路高低压供电驱动方式是在单电压供电的基础上,为了解决单电压驱动的快速性能不好而发展起来的一种供电技术。其基本思路是, 在脉冲到来时, 在电机绕组的两端先施加一较高电压, 从而使绕组的电流迅速建立, 使电流建立时间大为缩短, 在相电流建立起来之后, 改用低电压, 以维持相电流的大小, 这样做可以减小限流电阻的阻值甚至去掉限流电阻, 使电源的驱动效率大为提高。典型电路如图3 所示。 这种电路的特点是电流波形得到了很大改善, 电机的矩频特性很好, 起动和运行频率得到很大的提高。 但在高压工作结束和低压工作开始的衔接处的电流波形呈凹形, 致使电机的输出力矩有所下降。 3. 3恒流斩波驱动电路为了弥补高低压驱动电路的高、低压电流波形在连接处为凹形的缺陷, 发展了恒流驱动技术, 使步进电机电流在额定值附近保持恒定。图4 为一种恒流斩波驱动电路原理图, 为单极型驱动方式, 它充分利用了现有的电源电压, 能够在较宽的频率范围内工作, 极大改善了电流波形、矩频特性, 由于不需外接限流电阻, 故使能耗大为降低, 提高了电源效率。 3. 4性能比较各种驱动电路性能比较见表1。
4 结束语在步进电机产生后的几十年里, 随着控制技术及电力电子技术的不断发展, 步进电机驱动电路也在不断改进。从单电压驱动到恒流斩波驱动, 各自有自己的优缺点。但早期的晶体管单电压驱动方式已基本淘汰,取而代之的是以恒流斩波技术为基础的高性能驱动方式, 这种方式极大地改善了驱动电流波形, 使电流输出基本恒定, 且系统功耗低, 电源效率高。在日益注重节能和环保的今天, 恒流斩波技术将具有非常广泛的应用前景。 |
