步进电机驱动电路研究

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

2. 1基本组成步进电机驱动系统的原理如图1 所示, 控制电路产生步进电机所需要的电脉冲信号, 脉冲分配器把电脉冲信号按规定的方式分配给步进电机各相励磁绕组, 使各相励磁绕组轮流接受脉冲信号的控制。控制电路经脉冲分配后输出的信号很低, 不能提供步进电机所需的输出功率, 必须经过功率驱动部分进行放大。

图1步进电机驱动系统方框图

脉冲分配部分可以由硬件电路组成, 也可以由软件实现。当脉冲分配由硬件实现时, 步进电机的驱动系统包括脉冲分配和功率驱动两个部分; 当脉冲分配由软件实现时, 步进电机驱动系统实际上只包含功率驱动部分, 控制电路多由微机及接口电路组成。

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

驱动电路中对步进电机性能有明显影响的部分是功率放大电路输出级的结构。经过多年的发展与完善,驱动电路已形成相对固定的单电压驱动电路、高低压切换驱动电路、恒流斩波驱动电路等形式。

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。