步进电机驱动电路研究.doc

论文专家件件精品“中国论文库”精心整理教育、职称类精品论文：步进电机驱动电路研究吕梅蕾 周明安 叶文通 冯军民摘要：步进电机是一种将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移的数控元件，其性能在很大程度上取决于驱动电路的优劣。本文阐述了驱动电路的基本组成及工作要求，分析了几种典型驱动电路，研究了双极性单电压恒流斩波电路，并将其应用于数字阀控制电路，结果表明：步进电机恒流工作，功耗低，输出转矩恒定，保证了数字阀的工作稳定。关键词：步进电机 驱动电路 恒流斩波 Study on Stepper Motor Driver Lv Mei-lei Zhou Ming-an Ye Wen-tong Feng Jun-min(West Branch of Zhangjiang Univesty of Technology,Quzhou 324006,China)AbstractThe stepper motor is a digital control component which changes the pulse signal into relevant angle or straight-line displacement,its performance lies on the driver.The paper expatiates the basic composition and requirement of the driver ,analyses several typical circuit,studies a constant current lop wave circuit of double polarity and single voltage,and it is applied to a digital valve controller,the results indicate the stepper motor works in constant current,low power waste ,constant output torque,and the digital valve works stability can be ensured.Keywords Stepper motor Driver Constant current lop wave 1. 引言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。但是，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。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，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、便于生产图1步进电机驱动系统方框图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启动、运行频率要求不高的场合。 图2 单电压驱动电路 图3高低压切换驱动电路 图4 恒流斩波驱动电路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。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，启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。4. 新型驱动电路研究4.1双极性单电压恒流斩波电路在总结前人工作的基础上，结合当前新器件、新技术的不断出现，给出了一种新型驱动电路双极性单电压和斩波电路相结合的电路，电路如图5。图5双极性单电压恒流斩波电路其工作原理是：假设步进电动机的 A相需通电，则步进电动机 A相通电的相序（或称控制字 ABCD）送到图 5中芯片 G16V8L，芯片 G16V8L 根据 A、B、IA 进行逻辑运算，输出信号 DA、GB、GA、DB，在信号 GA、DA 的控制下，晶体管 T1、T4导通，在信号 GB、DB 的控制下，晶体管 T3、T2 截止，这样，由晶体管 T1、绕组 L、晶体管 T4、取样电阻 R 构成回路，绕组 L 中流过电流。如果绕组的电流超过某一额定值时，来自取样电阻 R 上的信号经比较器 LM393 和触发器后得到信号 IA，这时信号 IA 的状态发生翻转。于是芯片 G16V8L根据 A、B、IA 进行逻辑运算输出的信号 GA 的状态改变，晶体管 T1 截止，30V 电压不再向绕组供电，绕组中的电流下降。如果绕组中电流下降到某一额定值以下时，来自取样电阻 R 上的信号经比较器 LM393 和触发器得到信号 IA，这时，信号 IA 的状态再次翻转，使晶体管 T1 导通，30V电压再向绕组供电，使绕组中的电流上升。这样反复进行，使绕组通电从而驱动步进电机转动，并且绕组中的电流始终保持恒定。当改变步进电机的控制字，则控制相应的绕组通电。当控制字按一定顺序送到芯片 G16V8L，步进电机就能实现相应的转动。绕组中的额定电流，是由取样电阻 R 和比较器基准电压 U0 决定的。如果要改变绕组中的电流，我们通过改变取样电阻 R 的阻值或改变基准电压 U0 来实现。绕组中电流的波动大小是由时钟信号 CLK 的频率决定的。CLK的频率越高，则电流波动幅值越小。图 5 电路可以克服单一电压型放大电路由于外接电阻所导致功耗大的缺点，也克服了高低电压功率放大电路高低压衔接处电流呈凹型不恒定的缺点。4.2 在数字阀控制器中的应用数字阀是一种能够以数字的方式进行控制的阀门。数字阀通常以步进电机作为其执行机构，步进电机在控制信号的作用下带动阀芯运动，从而改变阀芯位置。我们知道，一般的步进电机驱动系统由脉冲分配器和功率放大电路组成，而数字阀由于采用数字直接控制，在控制器的步进电机驱动系统中只有驱动放大电路，而没有脉冲分配器。因此步进电机驱动电路的性能直接影响控制器的性能。将双极性单电压恒流斩波电路应用于数字阀控制器中，使得步进电机运行在恒流方式，转子出力好，功耗低，输出转矩恒定，保证了数字阀的工作稳定。5.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，步进电机驱动电路有了长足的进步。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。参考文献1.刘宝廷，程树康等.步进电动机及其驱动控制系统M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19972