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步进电机高低压驱动电路两种控制形式的比较 康 晶 胡红英 （大连民族学院 机电系， 辽宁 大连开发区 116600） 摘 要：介绍了一种具有检测反馈控制环节的步进电机高低压驱动电路的构成、工作原理及有关参数计算.作者通过实验分析对比了传统的定时控制的高低压驱动电路、具有反馈控制的高低压驱动电路以及恒流斩波驱动电路的性能及负载能力。 关键词：步进电机 驱动电路 检测环节 反馈控制 The Comparison of Two Kinds of Double Voltage Driving Circuits for Stepping Motors KANG Jing HU Hong-ying (Dalian Nationalities University Dalian Development Zone 116600,China) Abstract: This article discusses a kind of double voltage driving circuit with feedback control for stepping motors. The paper describes the construction, principle and some data calculation. The loading capacity of 2 kinds driving circuits has been compared with each other by experiments. Key words: stepping motor, driving circuit, detection, feedback control 1 引 言 高低压驱动电路又称双电压驱动电路，可以分为定时控制驱动与脉冲变压器式驱动.脉冲变压器式驱动电路结构简单，但是因为使用脉冲变压器使制造工艺复杂，成本高且不易模块化，目前用的很少；定时控制高低压驱动电路采用单稳态触发器将控制脉冲分离出一个同步的窄脉冲作为高压有效控制信号.该脉冲的宽度为单稳态触发器的暂态过程时间Δt，在这个过程中高压控制管与低压控制管同时导通.Δt即不能太大也不能太小；太大时，步进电机电流过载使两个驱动管烧坏甚至将步进电机烧毁；太小时，高频性能改善不明显，高频运转时出力小易产生失步现象.一般Δt取值与主回路的电气时间常数τ相同[3].一旦Δt被确定则难以控制、调整适应不同的运转频率和不同绕组电感的步进电机.因此笔者设计了具有检测反馈控制环节的高低压驱动电路，利用反馈控制高压管的导通时间，适应不同的运转频率，提高驱动能力。 2 电路原理与参数计算 具有反馈控制的高低压驱动电路原理如图1所示.由电路可以看出，该电路是在通常的高低压驱动电路中加设了电流检测电阻Rd和反馈控制环节以及驱动逻辑电路.电路的工作过程：当控制脉冲前沿来到时与非门1的输入端均为高电平，高压控制管T1与低压控制管T2同时导通，主回路电流i按负指数规律上升： 式中 Uh——高电压； Rc，Rd，r——分别为限流电阻，电流检测电阻和绕组直流电阻； I0——主回路初始电流； I0= Uh/（Rc+Rd+r） τ——主回路电气时间常数（mS），τ=L/（Rc+Rd+r） L——步进电机一相绕组的电感量（mH）. 当电流上升到电机额定电流的120%时，电流检测电阻Rd上的电压UC大于参考电压Uref，检测环节输出一个正脉冲使高压控制管关断；此时由低压电源UL经D2向绕组供电，使维持电流为电机额定电流的90~100%.因低压电源提供的维持电流小于高压电源提供的上升电流；Rd上的电压Uc小于参考电压Uref，检测环节不再输出正脉冲，即在一个控制脉冲周期内T1只导通/截止一次，大大的减小了T1在切换过程中的功耗，使温度下降.而T2在整个控制脉冲的周期内一直处于深度饱和，本身的压降很小（一般小于2伏）故发热量很小.控制脉冲及检测脉冲与电流波形的关系见图2. 电路参数选取时应注意以下几点： （1）Uh的确定. 由式（1）可得：当控制脉冲前沿来到，即t=0时，电流的上升率为： 图1具有反馈控制的高低压驱动电路 即Uh高，电流上升率大，步进电机高频运行时动态性能好.但相应的管子耐压也增大，成本会有所增加，特别对于定时控制驱动电路则应严格控制Uh避免出现电流过载.一般取Uh=120~200V，运行频率大于6000~10000HZ时取Uh=300V. （2）UL的选取应使UL满足 式中I1——步进电机绕组的额定电流，一般UL为9~12V.电压低，限流电阻小，发热量小. （3）检测采样电阻Rd一般取0.3~0.5Ω，阻值大Uc化敏感但发热量大.限流电阻Rc满足时间常数τ=L/（Rc+Rd+r）的要求及式（3）的关系. 例如：某110mm反应式步进电机，绕组电阻r=0.37Ω;电感L=8mH;额定电流I1=6A.取低压UL=12V;限流电阻Rc =1.5Ω检测电阻Rd =0.3Ω,电气时间常数τ=3.6mS.取高压Uh=120V时，电 流上升到7A需0.45 mS ;Uh =300V电流上升到7A仅需86μS.由此可见，如采用定时控制高低 压驱动电路，将高压管的控制脉冲宽度按有关资料推荐调整到Δt=τ，则步进电机的绕组电流将接近40A，这是不容忽视的！ 3 驱动电路的实验对比分析 笔者根据对上述两种驱动电路的应用实践与理论分析，分别对其进行了步进电机驱动能力实验.实验中的步进电机负载、驱动管型号、散热条件等均相同，其他实验条件见下表. 高低压定时控制驱动电路在高压有效脉冲宽度Δt=0.5 mS,高压电源Uh=120V的条件下对500~5000 HZ的运转频率进行了驱动实验.实验表明:电路在低频条件下有严重的电流过载现象,其最大电流达步进电机额定电流的140%,使高、低压控制管发热甚至烧毁;而在高频运行时控制脉冲宽度仅0.1mS(占空比50%)故最大电流上升到2.8A,平均电流仅为2.0A使步进电机出力不足,产生较严重的失步现象.步进电机的运行频率范围无法适应机电一体化系统的调速要求.高低压反馈控制驱动电路在低频运行时无电流过载现象，其最大电流可通过调整参考电压Uref控制，高频运行时步进电机出力足没有失步现象，平均电流达5.2A.高低速运行均表现了良好的频率特性（矩-频特性）.
4 结 论 （1）高低压反馈控制驱动电路克服了高低压定时控制驱动电路的低频过载、高频出力不足使步进电机产生失步的现象，可以实现步进电机理想的矩频特性，并且可以根据不同的最高运行频率调整电源电压Uh； （2）高低压反馈控制驱动电路消除了恒流斩波电路因斩波过程产生的高频电磁噪音和斩波管过热现象；每个控制脉冲产生的上升电流大，加速性能好； （3）因电路中高压控制管截止时步进电机绕组产生的反电势使电流波形上部产生下陷，平均电流下降，下降幅度达20%使步进电机的保持力矩有所下降. 参考文献： [1] 刘宝廷,程树康.步进电机及其驱动控制系统[M]. 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 1997. [2] 西安微电机研究所.实用微电机手册[M].沈阳 .辽宁科学技术出版社.2000.3 [3] 李仁定,向树雄,李铁才.电机的微机控制[M].北京.机械工业出版社.1999.10 |
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