步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖講解

發(fā)布時(shí)間:2024-02-13
雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖所示,它會(huì)使用八顆晶體管來驅(qū)動(dòng)兩組相位。雙極性驅(qū)動(dòng)電路可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線式或六線式步進(jìn)電機(jī),雖然四線式電機(jī)只能使用雙極性驅(qū)動(dòng)電路,它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動(dòng)電路的兩倍,其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動(dòng),上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動(dòng)電路。雙極性驅(qū)動(dòng)電路的晶體管只需承受電機(jī)電壓,所以它不像單極性驅(qū)動(dòng)電路一樣需要箝位電路。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作,而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,如圖2所示,它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。圖中點(diǎn)劃線所包圍的二個(gè)單元可以用微機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合,也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口,這里予以簡(jiǎn)單介紹。
圖2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器
1.單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口
實(shí)用電路如圖3所示。在電機(jī)繞組回路中串有電阻rs,使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小,高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩,還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象,但它引起附加的損耗。一般情況下,簡(jiǎn)單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中,rs是不可缺少的。rs對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖3(b)。{{分頁}}
圖3 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口及單步響應(yīng)曲線
圖4 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口
2.雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口
雙電壓驅(qū)動(dòng)的功率接口如圖4所示。雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低(低頻段)用較低的電壓ul驅(qū)動(dòng),而在高速(高頻段)時(shí)用較高的電壓uh驅(qū)動(dòng)。這種功率接口需要兩個(gè)控制信號(hào),uh為高壓有效控制信號(hào),u為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。圖中,功率管th和二極管dl構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)uh低電平,th關(guān)斷,dl正偏置,低電壓ul對(duì)繞組供電。反之uh高電平,th導(dǎo)通,dl反偏,高電壓uh對(duì)繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力,而靜止鎖定時(shí)功耗減小。
3.高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口
圖5 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口
高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口如圖5所示。高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是,不論電機(jī)工作頻率如何,均利用高電壓uh供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿,而在前沿過后,用低電壓ul來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高頻性能,而且不必再串聯(lián)電阻rs,消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)uh和ul,它們應(yīng)保持同步,且前沿在同一時(shí)刻跳變,如圖5所示。圖中,高壓管vth的導(dǎo)通時(shí)間tl不能太大,也不能太小,太大時(shí),電機(jī)電流過載;太小時(shí),動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms。(當(dāng)這個(gè)數(shù)值與電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)比較合適)。{{分頁}}
4.斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口
恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是,設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時(shí)均保持固定數(shù)值。使電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中r是一個(gè)用于電流采樣的小阻值電阻,稱為采樣電阻。當(dāng)電流不大時(shí),vt1和vt2同時(shí)受控于走步脈沖,當(dāng)電流超過恒流給定的數(shù)值,vt2被封鎖,電源u被切除。由于電機(jī)繞組具有較大電感,此時(shí)靠二極管vd續(xù)流,維持繞組電流,電機(jī)靠消耗電感中的磁場(chǎng)能量產(chǎn)生出力。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減,同樣電流采樣值將減小。當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值,vt2導(dǎo)通,電源再次接通。如此反復(fù),電機(jī)繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上,形成小小的鋸齒波,如圖6所示。
圖6 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口
斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào),其中u1是數(shù)字脈沖,u2是模擬信號(hào)。這種功率接口的特點(diǎn)是:高頻響應(yīng)大大提高,接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性,共振現(xiàn)象消除,但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。
5.升頻升壓功率驅(qū)動(dòng)接口
為了進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻響應(yīng),可采用升頻升壓功率驅(qū)動(dòng)接口。這種接口對(duì)繞組提供的電壓與電機(jī)的運(yùn)行頻率成線性關(guān)系。它的主回路實(shí)際上是一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源,利用頻率-電壓變換器,將驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平,并用此電平去控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入,這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動(dòng)接口。
6.集成功率驅(qū)動(dòng)接口
目前已有多種用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的集成功率驅(qū)動(dòng)接口電路可供選用。
l298芯片是一種h橋式驅(qū)動(dòng)器,它設(shè)計(jì)成接受標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯電平信號(hào),可用來驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。h橋可承受46v電壓,相電流高達(dá)2.5a。l298(或xq298,sgs298)的邏輯電路使用5v電源,功放級(jí)使用5~46v電壓,下橋發(fā)射極均單獨(dú)引出,以便接入電流取樣電阻。l298(等)采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝,工業(yè)品等級(jí)。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。h橋驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)是能夠?qū)﹄姍C(jī)繞組進(jìn)行正、反兩個(gè)方向通電。l298特別適用于對(duì)二相或四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。{{分頁}}
圖7 l298原理框圖
與l298類似的電路還有ter公司的3717,它是單h橋電路。sgs公司的sg3635則是單橋臂電路,ir公司的ir2130則是三相橋電路,allegro公司則有a2916、a3953等小功率驅(qū)動(dòng)模塊。
圖8是使用l297(環(huán)形分配器專用芯片)和l298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
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