步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)分析

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的定位精度，無(wú)位置累積誤差；特有的開環(huán)運(yùn)行機(jī)制，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性，在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、噪聲大，在步進(jìn)電機(jī)的自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振，且輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而下降，這些缺點(diǎn)限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上取決于所用的驅(qū)動(dòng)器，改善驅(qū)動(dòng)器的性能，可以顯著地提高步進(jìn)電機(jī)的性能，因此研制高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一項(xiàng)普遍關(guān)注的課題。

　　1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)概述

　　通常情況下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：

　　①控制電路。用于產(chǎn)生脈沖，控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向。

　　②驅(qū)動(dòng)電路。即本文的研究?jī)?nèi)容，由圖1所示的脈沖信號(hào)分配和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。根據(jù)控制器輸入的脈沖和方向信號(hào)，為步進(jìn)電機(jī)各繞組提供正確的通電順序，以及電機(jī)需要的高電壓、大電流；同時(shí)提供各種保護(hù)措施，比如過(guò)流、過(guò)熱等。

　　③步進(jìn)電機(jī)。控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)負(fù)載。

　　2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法的比較

　　2．1 恒電壓驅(qū)動(dòng)方式

　　2．1．1 單電壓驅(qū)動(dòng)

　　單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電機(jī)繞組工作過(guò)程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。如圖2所示，L為電機(jī)繞組，VCC為電源。當(dāng)輸入信號(hào)In為高電平時(shí)，提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機(jī)繞組上。當(dāng)In為低電平時(shí)，三極管截止，繞組無(wú)電流通過(guò)。

　　為使通電時(shí)繞組電流迅速達(dá)到預(yù)設(shè)電流，串入電阻Rc；為防止關(guān)斷T時(shí)繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢(shì)將T擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管D和電阻Rd，為繞組電流提供一個(gè)泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。

　　單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。

　　2．1．2 高低壓驅(qū)動(dòng)

　　為了使通電時(shí)繞組能迅速到達(dá)設(shè)定電流，關(guān)斷時(shí)繞組電流迅速衰減為零，同時(shí)又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)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(hào)。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過(guò)后用低電壓來(lái)維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導(dǎo)通時(shí)間不變，在低頻時(shí)，繞組獲得了過(guò)多的能量，容易引起振蕩。可通過(guò)改變其高壓管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)解決低頻振蕩問(wèn)題，然而其控制電路較單電壓復(fù)雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會(huì)因電流太大損壞電機(jī)。