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步進電機驅動方式的分類及比較

信息發布來源:直線步進電機供應商振合機電

步進電機驅動方式的分類及比較:步進電機驅動方法的分類主要有恒電壓驅動方式、恒電流斬波驅動方式和細分驅動方式。以下是這幾種驅動方式的簡介及比較。 1 恒電壓驅動方式 1.1 單電壓驅動 單電壓驅動是指在電機繞組工作過程中,只用一個方向電壓對繞組供電。如圖2所示,L為電機繞組,VCC為電源。當輸入信號In為高電平時,提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態,若忽略其飽和壓降,則電源電壓全部作用在電機繞組上。當In為低電平時,三極管截止,繞組無電流通過。 為使通電時繞組電流迅速達到預設電流,串入電阻Rc;為防止關斷T時繞組電流變化率太大,而產生很大的反電勢將T擊穿,在繞組的兩端并聯一個二極管D和電阻Rd,為繞組電流提供一個泄放回路,也稱“續流回路”。 單電壓功率驅動電路的優點是電路結構簡單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后,功耗加大,整個功率驅動電路的效率較低,僅適合于驅動小功率步進電機。 1.2 高低壓驅動 為了使通電時繞組能迅速到達設定電流,關斷時繞組電流迅速衰減為零,同時又具有較高的效率,出現了高低壓驅動方式。 如圖3所示,Th、T1分別為高壓管和低壓管,Vh、V1分別為高低壓電源,Ih、I1分別為高低端的脈沖信號。在導通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率,而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。高低壓驅動可獲得較好的高頻特性,但是由于高壓管的導通時間不變,在低頻時,繞組獲得了過多的能量,容易引起振蕩。可通過改變其高壓管導通時間來解決低頻振蕩問題,然而其控制電路較單電壓復雜,可靠性降低,一旦高壓管失控,將會因電流太大損壞電機。 2 恒電流斬波驅動方式 2.1 自激式恒電流斬波驅動 圖4為自激式恒電流斬波驅動框圖。把步進電機繞組電流值轉化為一定比例的電壓,與D/A轉換器輸出的預設值進行比較,控制功率管的開關,從而達到控制繞組相電流的目的。從理論上講,自激式恒電流斬波驅動可以將電機繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的,會使繞組激起很高的浪涌電壓,因而對控制電路產生很大的干擾,容易產生振蕩,可靠性大大降低。 2.2 它激式恒電流斬波驅動 為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓問題,可在D觸發器加一個固定頻率的時鐘。這樣基本上能解決振蕩問題,但仍然存在一些問題。比如:當比較器輸出的導通脈沖剛好介于D觸發器的2個時鐘上升沿之間時,該控制信號將丟失,一般可通過加大D觸發器時鐘頻率解決。 3 細分驅動方式 這是本文討論的重點,也是該系統采用的驅動方法。細分驅動最主要的優點是步距角變小,分辨率提高,且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉矩;其次,減弱或消除了步進電機的低頻振動,降低了步進電機在共振區工作的幾率。可以說細分驅動技術是步進電動機驅動與控制技術的一個飛躍。細分驅動是指在每次脈沖切換時,不是將繞組的全部電流通入或切除,而是只改變相應繞組中電流的一部分,電動機的合成磁勢也只旋轉步距角的一部分。細分驅動時,繞組電流不是一個方波而是階梯波,額定電流是臺階式的投入或切除。比如:電流分成n個臺階,轉子則需要n次才轉過一個步距角,即n細分,如圖5所示。 一般的細分方法只改變某一相的電流,另一相電流保持不變。如圖5所示,在O°~45°,Ia保持不變,Ib由O逐級變大;在45°~90°,Ib保持不變,Ia由額定值逐級變為0。該方法的優點是控制較為簡單,在硬件上容易實現;但由圖6所示的電流矢量合成圖可知,所合成的矢量幅值是不斷變化的,輸出力矩也跟著不斷變化,從而引起滯后角的不斷變化。當細分數很大、微步距角非常小時,滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角,使得細分實際上失去了意義。 這就是目前常用的細分方法的缺陷,那么有沒有一種方法讓矢量角度變化時同時保持幅值不變呢?由上面分析可知,只改變單一相電流是不可能的,那么同時改變兩相電流呢?即Ia、Ib以某一數學關系同時變化,保證變化過程中合成矢量幅值始終不變。基于此,本文建立一種“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動方法,以消除力距不斷變化引起滯后角的問題。如圖7所示,隨著A、B兩相相電流Ia、Ib的合成矢量角度不斷變化,其幅值始終為圓的半徑。

下面介紹合成矢量幅值保持不變的數學模型:當Ia=Im·cosx,Ib=Im·sinx時(式中Im為電流額定值,Ia、Ib為實際的相電流,x由細分數決定),其合成矢量始終為圓的半徑,即恒力距。 等角度是指合成的力臂每次旋轉的角度一樣。額定電流可調是指可滿足各種系列電機的要求。例如,86系列電機的額定電流為6~8 A,而57系列電機一般不超過6 A,驅動器有各種檔位電流可供選擇。細分為對額定電流的細分。 為實現“額定電流可調的等角度恒力距”,理論上只要各相相電流能夠滿足以上的數學模型即可。這就要求電流控制精度非常高,不然Ia、Ib所合成的矢量角將出現偏差,即各步步距角不等,細分也失去了意義。下面給出了基于該驅動方法的驅動器的設計方案。

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