步进电机新型驱动器开发及其控制系统研究_图文

1、山东大学硕士学位论文步进电机新型驱动器开发及其控制系统研究姓名:张建川申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:路长厚摘要本文通过对步进电机驱动技术的详细研究,开发研制出一种新型的恒流斩波式步进电机驱动器。论述了新型驱动器设计中元器件的选型和开发研制方法,并进行了理论建模和实验研究。开发研制出相应的单片机控制系统。新型驱动器着重对吸收回路部分进行了较大的改进,用预充有电荷的电容器代替传统的耗能元件,在理论上建立了此种吸收回路的数学模型。f并通过实验证明:采用这种电路后可极大地缩短绕组电流衰减到零所用的时间。由于电路中功放部分成功的应用了功率MOSFET,提高了斩波频率,降低了功放管自身的损

2、耗,极大提高了可靠性。将存储在绕组上的磁场能量加以回收利用,采用电荷泵的方式将回馈给电源,减少了系统发热,提高了电源利用率,较好地解决了一般步进电机驱动系统长期存在的低频段共振失步,高频、段出扭矩不足,以及功耗大,效率低等问题。斗/在控制系统开发研究与元器件的选型方面,充分利用了微电子技术的最新发展,将新一代高性能单片机hT89C2051用于步进电机的伺服控制,充分发挥/-了单片机体积小、速度快、功耗低、计算功能强大的特点。l利用单片机的通讯端口,实现了新型驱动器与上位机的通讯功能,具备了一定的智能化,在一定程度上减轻了上位机的压力,比较适合作为嵌入式系统应用。将可编程逻辑器件应用于驱动器的硬

3、件设计,大大简化了电路板的设计。利用计算机辅助设计软件PROTEL对电路板进行了优化设计,充分考虑了各种复杂环境因素对电路的影响,配以完善的软件设计,增强了系统的抗干扰性,使用中从未发生过单片机“死机”现象。对步进电机的启、停过程进行了加减速最优控制,使步进电机的性能得到了更充分的发挥。第1页本文的研究成果已在全国50多家企业中成功应用,其先进性和可靠性得到了充分证明。l关键词:步进电机.新型驱动器,能量回收:单片机控制第1I页DEVELOPMENT AND RESEACH oF NEW TYPE DRIVER AND CoNTRoLLING SYSTEM oF STEPPING MoToRA

4、bstractBased on analysis on driving technology of stepping motor,a new constant current PWM stepping motor driver is developed.The selection of electronic components and chips are discussed and developing methods are described.Also。theoretical and experiment research are carried out about the new di

5、ver,as well as the corresponding single-chip computer control system are achieved.Key technology of the new type stepping motor driver is with an absorbing return tireuit,which uses capacitors filled in electric charge in advance instead of traditional dissipating elements.It is showed that the abso

6、rbing return circuit can greatly decreased time spent on attenuation of the current to zero by theoretical analysis and experiment research.ne successful application of power MOSFET enhances PWM frequenc5reduces energy loss of power transistor and greatly increases system reliabil毋.The magnetic ener

7、gy stored in the winding is returned to the power resource in the fornl of charge pump and utilized again.So the heat radiation of system is further reduced.nle new stepping motor driver solves well the problems about jointly vibration and loss step in low frequency region and inadequate torsion in

8、high frequency region,which existed in the common stepping motor drive systems for long time.At the aspect of the development of control system and selection of components and devices,new generation of high.quality single-chip computer-AT89C2051淅tll advantages of its smaller volume,hi曲er speed,lower

9、 power loss,powerful calculation ability is applied to servo-control of stepping mot01-.T1lis control system uses the communication port of AT89C2051to implement the communication function between the new driver and the uppler computer.The intelligence ofthis contr01system greatly lessens the pmssur

10、e ofthe upper compute r.Programmable logic devices are also applied to the hardware design of the new stepping motor driver and make the circuit board design simplified greatly.The computer-aided design software-PROTEL is used to optimize design of circuit board.A1l complicated influencing factors a

11、re coilsidered in order to strengthen the noiseimmunity of system so that"the hung systemnever occurs to the singlechip computer.Optimal contr01program of acceleration and deceleration jn the start and stop 第11J页process of stepping motor is achieved.n has made the better performance of stepping

12、 motor.The research achievements of this thesis have been successfully applied to more也an50enterprises and its advance and reliability have been fully proved.Key words:Stepping motor,new driver,energy recovery,single-chip computer control第页1.绪论1.1课题提出的背景针对目前国内市场上标牌打印机奇缺,牛产又有迫切需求的现实,我们提出了开发一种新型数控标牌打印

13、机的课题:设计出的原理如图卜1所示。幽卜1图卜1中,为微型计算机、为驱动与控制主板、为驱动元件、为施力机构、为字库、为检测装置、为工作台与夹牌机构、为选字分度机构。这种打印机可广泛用于实时在线打印机器标牌(铝牌、铁牌、塑料牌等上的动态数据:如某钢厂钢材的标牌内容为:牌号:20CrMnTi,炉号:T98235规格:巾6.5mE重量:1450kg第1页其中的非汉字部分均为实时在线打印内容;在微机上进行编辑后,传递给控制与驱动系统;由后者控制执行机构、自动完成打印过程。由于大批量生产线的快节奏,对打印机的速度提出了很高的要求;其中的驱动与控制系统就成为开发任务中的重中之重。从成本和控制方便性考虑我们

14、拟选择步进电机驱动与控制方案。步进电机又有反应式和混合式可用,后者力矩大但成本高;从批量生产的成本和用户的经济承受能力考虑,我们拟采用前者,并通过开发高性能的新型驱动器来弥补其不足。因此,研制一种新型反应式步进电机驱动器便成为本课题进给系统的核心问题。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移的增量运动电磁执行器件“3,其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的同步关系。它的历史可追溯到十九世纪三十年代,真正把步进电机理论用于指导设计和制造可供应用的步进电机是在1930年,之后这项技术徘徊了数十年之久,几乎被抛弃,实际上,真正有工业应用价值的步进电机及其驱动系统直到五十年代才问世

15、”1。随着电子技术和数字计算的进步,步进电机的应用更加广泛,作为执行元件,它广泛应用于数字控制系统中。六十年代,富士通公司首先将其应用于机床上,组成开环数控系统,打破了闭环控制主载数控界的局面。1“1。步进电机的性能在很大程度上取决于驱动器的类型,实际上步进电机与驱动器是密不可分的两部分,两者一起统称为“步进电机系统”或“步进电机单元”,其运行性能是电机和电路两者配合所反映出来的综合效果”1。效率、可靠性和驱动能力是步进电机驱动电路所要解决的三大问题。它们三者之间并非彼此孤立,而是相互制约的。驱动能力随电源电压的升高而增大;但电路的功耗一般也相应增大,使效率降低;可靠性则因为电路的功耗增大,温

16、度升高而降低。第2页由于我们研制的产品一般用于产品生产线中,因此对设备的可靠性、动作的准确性和快速性要求较高。考虑到设备的成本及对电机高频响应的要求,我们拟选用45BF005、55BF009反应式步进电机。由于反应式步进电机较其它形式步进电机所要求的驱动电流大,所以研发生产出运行性能好、节省能源、可靠性好、造价低廉的步进电机驱动器是产品成败的关键。正是以上要求,作者拟对步进电机驱动技术进行深入研究,力求开发出高性能的步进电机驱动器。1.2步进电机驱动技术发展及现状步进电机驱动技术的发展与伺服驱动系统的发展密切相关。目前,世界上的伺服系统可归为步进电机系统、直流电机伺服系统、交流电机伺服系统。交

17、流伺服电机系统由于没有电刷磨损和换向火花,维护简单,可靠性高,高速性能优越,在八十年代开始应用至今,显示出强大的生命力,但其伺服系统复杂,价格较贵。直流伺服电机系统的性能较好,但制造、和维护成本较高,目前已有被交流伺服取代的趋势。步进电机系统由于发展较早,电机成本低、可靠性好、结构简单、驱动电源成本不高,因而具有良好的市场竞争力,在世界各国又获得了新的评价”1。国内出现的经济数控机床及其高档产品绝大多数使用步进电机系统作为伺服机构。步进电机系统性能的好坏,不仅取决于电机本身,更取决于其驱动电源的性能。驱动电源同步进电机是一个整体,不同形式的步进电机其驱动电源也有差异。永磁式步进电机由于电机本身

18、具有自锁转矩,因而在国外一直是应用广泛的一种”。在国内由于永磁式步进电机制造技术尚未完全过关,成本较高,因而在数控系统中应用不普遍。但可预测,随着国内电机制造技术的完善及成本的降低,它将会在经济型数控系统中大显身手。反应式步进电机由于其力矩一陨性比高、步进效率高、响应速度快、机械第3页结构简单、寿命长,无失步区、成本低。1,在国内发展的历史较长,制造技术完善,七十年代末已形成完整系列,性能又好,因而在数控系统中应用得相当广泛”1。它是一种利用电磁铁作用原理,将电脉冲信号转换为角位移的电机。其绕组不是恒定通电,而是脉冲式通电,绕组要注入一定幅值的电流,电机才能拖动负载正常运转。我们主要从以下两个

19、方面进行论述:(1电源功放级使用元件情况驱动电源性能的好坏及可靠性,在很大程度上与末级功放所用功率元件直接相关。最初使用的末级功放元件是可控硅。可控硅是一种脉冲触发的开关器件,它突出的优点是输入功率小、输出功率大、耐压高、成本较低“。在七十年代,由于国内大功率高反压晶体管较少,所以用可控硅为功率器件的驱动器曾一度占据主流。但是,可控硅虽然触发简单,但关断困难,总的来看线路复杂、易形成误触发、可靠性差、不便于调试和维护、抗干扰能力不好,近些年来随着大功率晶体管的发展一般不再采用。晶体三极管具有控制方便、调试容易开关速度快以及元件损耗小等优点,并且由于采用先进的设计,晶体管的开关特性和耐压过流能力

20、有了相当大的改进,因而近几年国内外绝大多数驱动电源使用晶体三极管作为末级功放元件。近年来,由于V形槽金属氧化物半导体场效应晶体管(VMOSFET综合了大功率双极晶体管和场效应晶体管的优点,具有大功率、高耐压、高增益的特点,且没有少数载流子存贮时间和温度失控,并有显著的抑制二次击穿特性“,因而使用它可大大提高驱动电源的可靠性。随着成本的降低及使用经验的积累,越来越多的驱动电源将会使用MOSFET作为末级功放元件。(2驱动电源电路结构的发展第4页不同形式的功率放大电路对电机性能的影响各不相同,这种不同形式的功率放大电路的差别主要是功率放大电路中不同的输出级结构。单电压的驱动电路在六十年代初期国外就

21、已大量使用,它的丰要特点是结构简单、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:串接电阻器的做法将产生大量的热,对驱动电源的正常工作极其不利,尤其是在高频工作时更加严重,因而它只适用于小功率或对性能指标更求不高的步进电机驱动。随着对步进电机大功率驱动和高频工作的要求,六十年代末出现了高低压电路,这种电路由于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了很大提高。由于绕组回路中串接若干个较小的电阻,所以电源功耗较小。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形,致使电机的输出力矩有所下降“。为了弥补高低压电路中电流波

22、形的下凹,提高输出转矩,七十年代中期研制出斩波电路,该电路由于采用斩波技术,使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动,流过绕组的有效电流相应增加,故电机的输出转矩增大,而且不需外接电阻,整个系统的功耗下降,效率较高,因而恒流斩波电路应用相当广泛。国外对步进电机驱动技术的研究一直很活跃。目前,国外对步进电机的控制与驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片,结果是大大缩小了驱动器的体积,明显提高了整机的性能,比较典型的芯片有两类。一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程,同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机,实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过

23、冲。例如日本的PPMCl01B便是这种芯片。采用这类专用集成电路,可驱动35相电机,可选择励磁方式;转速精确,设定的第5页转速范围宽、加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定;此外还有单步运转和不同的停止方式等功能。另一类芯片的核心是实现细分技术,例如日本东芝公司的TA7774H二相步进电机细分控制芯片,其内部集成了PWM斩波控制和函数型双极驱动电路细分控制功能。目前由于集成芯片受到耐压、电流容量的限制,一般只能用于小功率步进电机的驱动“。近年来,国外许多厂商相继推出了多种步进电机控制与驱动芯片和多种不同功率等级的功率模块,仅由几个专用芯片和一个功率模块便可构成一个功能齐全、性能优异的步进电机

24、驱动器,例如意大利SGS公司的L297和L298构成的四相(二相定电流斩波驱动器就属此类。从上面的分析,我们可以看出,国外所采用的集成技术由于涉及到微电子技术、集成电路加工技术、电力电子技术的前沿,在我国目前的条件下还暂不能实现,所以用集成加分立元件开发出适合我国国情的高性能驱动器是一个比较现实的做法。1.3步进电机驱动软件发展状况在微型计算机出现以前,步进电机的控制完全由硬件实现。比如环形分配器,就是由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成,不同类型的电机、不同的工作方式就需要有不同的环形分配器,如果更换了电机类型或改变工作模式,则整个硬件电路需要重新设计。随着以MCS一51系列为代表的

25、单片机的迅速普及,基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用“,此类环分器仅需更换不同的软件即可适应各种电机,而无需变更硬件,具有极大的灵活性。此外,在步进电机的速度控制中,我们寻求的最佳升降速曲线是根据步进电机的动力学特性及矩频特性得到的,在数学上这种曲线方程是比较复杂的,人们很难找到一种硬件电路来模拟它,只能在一定频段内做一种比较大的近似来拟合“。现在,我们可以通过软件编程来精确的模拟升降速曲线,并且结合第6页当前微型计算机的强大计算功能可实现步进电机的最优化控制。1.4本文的主要研究工作木课题主要拟完成以下几点工作:(1针对当前国际功率半导体技术的发展趋势,尤其是大功率MOSFET

26、的出现,将大功率VMOS管应用于步进电机驱动器。充分利用功率MOSFET本身具有的特点,结合驱动电路的良好设计,开发研制结构简化,开关频率和可靠性高的新型步进电机驱动器。(2跟踪当前单片微处理器的发展,将htmel公司的单片机和Lattice 公司的可编程器件引入驱动器的设计,将步进电机环形分配器由先前的硬件环分转为现在的软件环分,并用可编程器件代替标准数字集成电路的硬件逻辑,以简化电路板的设计,节省电路板空间,并使驱动器具备一定的智能化,可使步进电机按照优化的加减速曲线运行,实现以最短时间为目标的最优控制。(3对于单极驱动方式而言,如何兼顾释放回路的速度和效率是一个难点。本文拟开发一种全新的

27、快速释放回路,在加快释放回路速度的同时将多余的能量回收并回馈给电源,最大限度地提高电源效率、降低电机和驱动系统的温升。(4研究开发驱动控制系统与上位主机的通讯软硬件。我们拟研制的新型步进电机驱动电源具备和上位主机通讯的功能,并且可由多个驱动器通过标准的通讯端口组成分布式结构,它们之间的协调则主要通过相关控制软件完成。为保证系统响应的实时性,我们拟采用汇编语言进行编程。第7页2.步进电机驱动器技术要求与现状分析步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移的机电换能器。它与通常的交、直流电机一样,是将电能转变为机械能的电磁元件。但它的励磁绕组不能直接接到单相或三相正弦交流电网上,也不能简单的和

28、直流电相接,必须和专用的驱动器相接。步进电机的性能在很大程度上取决于驱动器的优劣。下面将详细论述。2.1步进电机驱动电源的基本组成及工作要求图2-1步进电机驱动系统方框图步进电机驱动系统的原理如图2.1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,使各项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,必须进行开关放大,这就是步进电机的功率驱动部分。脉冲分配部分可以由硬件电路组成,也可由软件实现。当脉冲分配由硬件实现时,步进电机的驱动电源包括脉冲分配和功率驱动两个部分;当脉冲分配由软

29、件实现时,步进电机驱动电源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。步进电机对驱动电源来讲,是一种感性负载。为提高电机的性能指标和系统的效率,设计步进电机驱动电源时应考虑一下问题“:第8页(I通电周期内能提供足够大的矩形波或接近矩形波的电流。步进电机负载的电感较大,由于存在反电动势,电流不可能突然建立或突然消失,它将按指数规律上升或下降。如下式所示:卜÷-羔卜刁式中:I。电流的稳态值(即额定电流值卜一电路时间常数f=三I一电机绕组电感(mI-Dr电机绕组内阻(QR限流电阻(Q一般要经过3至4个t的时间,电流才能达到稳态值。因此,步进电机在一个通电周期中,实际电流平均值

30、比理想的方波小,使得运行时的输出转矩小。在最后达到额定电流相同的情况下,电流上升的时间越长,输出转矩减小越明显。随着运行频率的增加,每相通电周期更加变短,t的影响相对加大,有可能电流刚刚建立就被切断了,导致高频输出转矩变小;而在关断时,电机励磁绕组中的电流也不能立即消失,仍按指数规律衰减,也同样需要3至4个t的时间,电流才能衰减至零。由步进电机的运行原理可知,当脉冲指令切换到下一相励磁时,而前一相电流还没有衰减到零,则产生一个负转矩,故而使平均转矩更加减小。因此设法改善驱动电源的电流波形,是步进电机驱动系统的重要仟务之一。(2要求驱动电源效率高、功耗小。为了改善步进电机的电流波形,需要提高主回

31、路电源电压,但又不能使相绕组电流超过额定值,往往需要在驱动电路中串联限流电阻,这样势必增加串联电阻上的热损耗(无用功损耗。虽然串联电阻可使时间常数减小,提高运行速度,但这种办法,除增大热损耗外,还会增加电源的负担,因此,已很少被应用。如何合理地设计驱动电路,使得既能保证步进电机有良好的性能,又能减少损耗,是解决问题的关键。(3要求驱动电源运行可靠、稳定。步进电机励磁绕组对电源来讲是一种感性负载,尤其是对功率大的电机,电感更大,而且又处于开关的瞬变状态。在断电的瞬间,电机绕组两端会产生很高的反向感应电动势,有时可高达数百甚至上千伏,如果吸收回路设计不好,将对功率驱动开关元件造成很大的冲击,甚至造

32、成击穿损坏。为提高驱动电源可靠性,我们在工程实际中不仅要筛选元件、合理选择参数,还要很好地考虑保护措施,才能保证可靠、稳定。(4要求驱动器的成本低、便于生产。2.2步进电机驱动电路的几种典型形式驱动电源中对步进电机性能有明显影响的部分是功率驱动电路输出级的结构。步进电机驱动器经过多年的发展与完善,已逐步形成相对固定的几种电路形式,它们各有特点,下面简单介绍几种在驱动电源发展过程中最常见的驱动电路。单电压驱动是应用最早的一种电路形式,它的突出特点是线路简单,主要应用场合是驱动对性能要求不高的小功率步进电机。它的电原理图如图22所示。图中,T为功率开关管,R为限流电阻,D为续流二极管。当控制脉冲C

33、P前沿到来时,Cp=“1”,前置放大后使功率管T导通,电流经限流电阻R在电机绕组L上建立电流,由于电感的作用,电流,成指数规律增长,经过3第10页至4个周期后,工程上就认为电流达到了稳定值,其电流波形见图23。cP几厂图22图2-3当CP后沿到来时,CP=O,使T关断。由于电流,不能突变,续流二极管D导通续流,电流,逐渐衰减,其等效电路如图24所示。设是电机的等效电感,当CP=I,T导通时,电流,建立的过渡过程为:iP可p+(,pO-,pP“7(2-1ff;j额定相电流其中:,:-E-RVces1pf=三R为时间常数,加为T导通时绕组初始电流,低频时,加*O图2-4CP:O,T关断,J衰减等效

34、电路如图24所示,J的过渡过程为:(22Jp=,Pl e一疋其中I,1为T关断瞬间绕组初始电流,低频时,。*,p由式(2一1和(22可知,由于E较小,J一定时R一-E-,Vces z鱼1也较小,所以过渡过程时间常数f很大,因此,的建立和衰减速度都是很小的,因第11页此电机高频性能上不去。当电机工作频率为厂时,T开关频率为=÷/时,_,建立和衰减时间为:O乒三上:三。旦:三j2凡2|1由式(2-1得一三l L=h0I一fe。由式(2-2得一三Dfo=Ie一三解出一。:乓,1+Pfr_=J了01+Pfr功率管T导通和关断时绕组电流,。差值一三虬一。=ol+Psr,。的中间值k=圭(,pO

35、+Ipl=i1。随着频率,的升高,。升高,州下降,AI,下降,而,:不变,波形如图25所示。lp波形随,变化有下面几个特点:(1随着,的升高,AI,下降,由于电机输出扭矩跟,成比例的,所以第12丽随/的升高,输出转矩下降,如图2-6所示。i图2-5(2随着,的升高,加上升,-下降,而中间值,:不变,高频时,在T关断期间不再衰减到零,绕组中总是流有电流的。(3随着/的升高,虽然输出扭矩M下降,但绕组电流的平均值I。几乎不变,当f足够大时1J舢z,讲z去,因此随.厂的提高,效率下降。图26单电压驱动电源的优点是线路简单,缺点是限流电阻R功耗很大,电源效率低。例如对55BF009型小功率反应式步进电

36、机,其额定相电流为3A,当电源电压为50V时,电阻R消耗的功率近似为3X50=150/,当电机同时锁定两相时,限流电阻功耗高达300W。从上面的分析知道单电压驱动电源的效率很低,电机高频性能不好,随着频率的升高,绕组电流不再衰减到零,高频时虽然电机输出扭矩下降,但绕组电流平均值几乎不变,当频率足够高时,绕组平均电流为额定值的1/2,绕组电流值差为零,此时绕组流过直流,电机输出转矩为零。第13页山东大学硕士学位论文高低压供电驱动方式是在单电压供电的基础上,为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,在脉冲来到时,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

37、,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27所示。绕组刚通电时,T。、T。都导通,高压电源V。与L形成回路,使电流上升速率较大,经过时间T。后,T2截止,低压电源V。与D。、R、L构成回路,以保持一定的稳态电流,绕组断电时,T。、T。同时截止,L与D2、v,、v。、D。、R构成回路,即给绕组加了一个负压V。一V。,提高了电流下降率。该电路去掉了主回路的串联电阻,降低了功耗,提高了效率。t谴图27圈28但这种双电压驱动电源有如下缺点:(1增加了一个高压电源,而使电源结构复杂,成本变高。

38、(2由于在脉冲加入时采用高电压供电,故对功放管的特性要求较高。(3在带负载的情况下,低频运行特性不理想,难以通过驱动电路补偿由于步进电机运行产生的旋转电势造成的电流下凹问题。虽然高低压驱动电源具有如上的缺点,但由于它极大地提高于步进电机的第14页山东大学硕士学位论文快速性,大大改善了步进电机的运行性能,所以这种驱动技术目前在我国的应用仍较普遍。由于双电压驱动电源电机绕组的电流波形较差,影响了电机的平稳运行,所以以此为出发点,发展了恒流驱动技术,恒流式驱动电源有多种形式,如反馈控制式恒流驱动、恒流斩波驱动、定频脉宽调制驱动技术及斩波型平滑驱动等等,它们各有特点,反馈控制式恒流驱动由于其功放管的导

39、通与断开都不能较迅速完成,工作在放大状态下的时间较长,故功耗大、发热多,其性能较差;图29为一种恒流斩波驱动电路的原理图,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,由于不需外接限流电阻,故使能耗大为降低,效率较高。但普通的恒流斩波驱动技术由于功放管工作在开关状态,在高频时双极晶体管的功率开关损耗剧增,降低了电机的高频特性,且斩波频率一般设定在12KHz,电磁噪声大,同时会对邻近的设备造成下扰及在电机里产生附加铁损。有关恒流斩波各部分的波形见图2-10。恒流斩波驱动技术虽然有许多缺点,如低速运行时由于绕组电流冲击大,使低频产生振荡,运行不平稳,噪声大定位精度没有提

40、高等,但由于它极大地改善了电流波形,采用能量反馈,提高了电源效率,改善了矩图2-9频特性,故目前国内外各驱动器生产厂商的产品均采用斩波方式。第15页图2一10小结综上所述,在步进电机产生后的几十年里,随着控制技术及电子电路技术的提高,步进电机的驱动电源有了长足的进展,从单电压驱动到恒流斩波驱动,这些电源与当时的技术条件等密切相关,他们各自有自己的优缺点。早期的晶体管单电压驱动方式现已基本淘汰,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,减少了电源功耗。可以预见,在日益注重节能和环保的今天,恒流斩波技术必将有着广泛的发展空间。第16页3.元器件简介步进电机

41、驱动电源是由各种类型的元器件组装而成的,随着微电子技术的迅猛发展,一些新型元器件层出不穷。器件的进步往往能简化电路的设计,并显著缩小设备的体积,提高性能价格比。本章主要介绍一下新型步进电机驱动器所用到的主要元器件的功能及参数。3.1功率器件研究驱动级线路,应该既要保证绕组有足够的电压电流及正确的波形,同时又要保证驱动级功率放大器件的安全运行。另外,还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本。这就必须要设计合理的线路,选用合适的功率器件。驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅、可关断可控硅、场效应功率管、双极型晶体管与场效应管的复合管以及各种功率模块“。对小功

42、率小机座号的步进电动机,均可用中小功率晶体管进行驱动,晶体管具有推动功率小、放大倍数大、线路简单等优点,用于驱动小机座号的步进电动机(绕组电流在数百毫安足以胜任。对较大机座号的功率步进电动机,由于绕组所需的电流较大、电压高、反电势也大,所以都必须用大功率晶体管驱动,高反压大功率晶体管是常用的器件。它的主要缺点是处于开关状态时放大倍数较小,一般只有几倍、十几倍,因此晶体管的基极也必须提供较大的推动电流,这样就使推动级的功率增加,整个驱动器的效率下降,成本增加,同时也给线路的装配、散热带来困难。这里首先对一些在驱动电源中常用的功率半导体元器件及其特性进行简单描述。由于现有元器件型号涉及到各厂家、各

43、公司,系列也没有归一化,我第17页国现行的是部颁标准,因此这里只根据资料来源和实验电路中所用的型号做简单介绍。二极管最基本的特性就是单向导电性。根据这个特性,二极管在驱动电源中主要用来整流,也用作限幅、钳位、吸收等。步进电机驱动电源对二极管提出了比较特殊的要求,即降低正向压降和大幅度地减小时间效应。二极管典型伏安特性曲线如图3一l所示。普通二极管有较大的正向压降。例如对于25A整流管,实测正向压降在0.91.5v,对:、厂”于桥式整流还要加倍,这是整流电路内阻的主要来源之一。在驱动电源中,整流器正向压降和内阻是影响驱动电源的整体效率的一个因素。一般情况下,因为电源电压远远高于正向压降,所以可以

44、忽略正向压降的影响,但对于高低压驱动方式中的低压保持状态,正向压降的影响则不能忽略。在低压、大电流的工作环境下,我们总是希望二极管的正向压降越小越好。二极管的时间效应要用二极管的“恢复时间”这一参量来表示。在斩波方式工作的驱动电源中,对于吸收回路中的二极管,它的工作频率较高,等于斩波频率,而且随着开关管性能的不断提高,斩波频率有愈来愈高的趋势。“恢复时间”表征在高频下还能正常地起二极管的作用。这个参数对斩波驱动电源的设计起重要作用“。二极管两端电压从零跃升到稳定的峰值,二极管的电流不能在瞬间从零跃升到稳定的峰值,而是逐渐上升,经过一段时间,逐渐上升到峰值,从电压跃升到电流升到稳定的峰值间这一段

45、时间,称为“正向恢复时间”。反之,二极第18页管两端电压从一个稳定值跃降到零,也要经过一段时间,电流才逐渐下降为零,从电压跃降到电流降到零这一段时问,称为“反向恢复时间”。需要指出:第,外电压的跃变假定不需要时间,是瞬变;第二,电压为零,看作外电源短路,而不是开路。一般地说,正向开通时间极短,在大多数场合下可忽略不计,而反向恢复时间则不能忽略,并且这项参数还至关重要,说恢复时间也多指反向恢复时间,因为如果电流该截止而不能截止,甚至延续到下一个导通周期,整个电路的工作状态就全乱了。a.超快软恢复二极管b.肖特基极管c.普通快恢复二极管图32三种功率开关-极管电流反向恢复波形比较综合考虑以上各种因

46、素,本驱动器采用Philips公司生产的BYV32、BYV42第19页山东大学硕士学位论文共阴软恢复二极管,它的基本电参数见表3.1。表3.1正向电流导通压降反向耐压恢复时间器件名称封装形式(A(V(V(nSBYV32E 160.520035TO一220BYV42E 250.520035TO一220晶体三极管,除特别指明者外,一般通指双极型晶体三极管。三极管的基本功能之一是电流放大,也就是说当基极电流有变化时,将会引起集电极电流变化;两个电流变化之比为三极管的动态放大倍数,其工作状态如图33所示。集电极电流经电阻取样,就成为电压放大值。“。在现代应用中,三极管的放大应用愈来愈多地被运放集成电路

47、所取代,只在少数有特殊要求的分立元件电路中或低成本的简单电路中还有所使用。三极管还有一个重要作用,就是信号电平的转移和信号电流电压间的转换,PNP和NPN管的搭配使用可得电流源到上述效果。在电子线路中,PNP管和NPN管相配置可图3-3以使电路简化。例如,一个简单的三级直接耦合放大电路,如果全用NPN管,各级输出的直流电位工作点将会步步升高,若用辅助电源和分压,就使电路复杂化,而且降低电压增益;如不用辅助电源和分压器,电路很难正常地工作。但若用NPN管和PNP管交替使用,电路结构便简单方便。线性电路多是直接耦合的电路,尤其要注意三极管的这一特点。在线性集成电路中,这一特点已在第20页,f J

48、.1_浇II 一电Llh一极一T 一一岂广泛地被运用了。这里说转移或转换作用,在工作过程中并不排除三极管的放大作用,但在电路结构的设计中的主要目的不是用来放大信号,在这种应用中,常用小功率管,与电压放大电路中对三极管的要求没有明显差别。在线性电路或开关电路中,三极管最重要的用途是作为放大管和开关管。放大作用与开关作用并不矛盾。只是作为开关作用时,在驱动电源的电路中占有特定的地位,在方框图中是独立的方框,而且对作为开关管的三极管的性能参数也有特定的要求。功率开关电管大多使用功率较大的三极管。选用开关管时,首先要注意三个极限参数。第一,最大允许管耗P。,指全部功耗,P。的主要成分是集电极功率耗散,

49、国内资料中多给出最大允许集电极功率耗散P。;第二,最大允许管压降BV。简称耐压,意为基极开路状态下集电极对发射极的反向耐压,基极不开路状态下耐压要更高一些;第三,最大允许集电极电流I。三个极限参数都在手册中给出。三项即使有一项达到手册给定值也是不允许的。在电路设计中,手册上的极限值不能直接使用,必须乘上一个远小于1的系数。例如,国外手册上三极管BUS51最大允许管耗350W。但得到这个数据的实验包含了实用中无法达到的定壳温实验条件,例如水冷无穷散热;同时,这个实验也不保证无故障工作时间。国内多按一定散热面积和环境温度来规定允许管耗,这较实用。关于最大允许管耗,根据我国电子元件专业质量协会编写的

50、电子元器件可靠性实用指南中规定,三极管在工作中的管耗为0.6 6w的中功率管应小于手册给定值的30%,6W以上的大功率管应小于手册给定值的50%。但这个系数可能并不保险,如果根据允许结温和散热条件(实用的来换算允许管耗,可能比上述手册给定值的50%还要小。关于最大集电极电流,各家说法不一,这里我们参考国外公司某标准。对于工作于线性回路的晶体管集电极电流,如果不超过手册给定的最大允许值的20%,这个设计是完全可接受的;如在20%40%之间,则要仔细进行方案第21页分析、论证,若超过40%以上,原则上认为设计不合理;而对工作于开关状态的三极管可适当放宽要求,有的用到手册给定值的60%,甚至更高些。

51、我们对一些正品大功率管进行实测,当测到集电极电流大到手册给定允许值的70%以上时,h,。多已大大降低,功率管几乎就没有实用价值了。关于耐压BV一般说来,用到手册记载的最大允许值的50%认为是安全的。有时甚至可用到70%以上。考虑三极管在工作中承受的耐压时,必须核对电路的各工作状态,特别是在开关电路中,应将集电极电压波形中的“旗杆”状窄脉冲尖峰的实测峰值考虑进去。晶体管的过电压击穿和过电流、超功率损坏机理不同。如果说,工作中电流和功率任何时候不要超过设计值,超过则可能损坏晶体管,这种损坏还需要一定时间的热积累,那么,过电压损坏晶体管是场致击穿,不需时间积累,不论时间多么短瞬的过电压击穿,都能导致

52、晶体管的损坏,并且这种损图3-4害是永久性的,不可恢复的。三极管的集电极电压超过耐压时,最容易产生负阻效应。所谓负阻效应,就是三极管的Ic_一u。曲线中,随着集电极电流的增加,管压降骤然降低,如图34。在开关电路中,这是损坏晶体管最直接的重要原因,半导体机理中称之为二次击穿”。在开关电路中,我们还特别关注晶体管的开关特性,也就是与时间有关的晶体管参数。以NPN管为例,假设在基极注入的驱动电流波形是方波i。,产生的集电极电流i。的波形在上升时(通和下降时(断都将有一时间滞后,波形也有变化。由于前后沿细节的分析涉及半导体内部机理,过渡过程又离不开外电路,对于工程实际应用而言,精确定量分析它们的过渡

53、过程是没有必要的。为了定性说明两电流间的相对时间关系,我们做以下的假设:第一,忽略I。的前后沿时间;第二,不考虑i。前后沿的变化细节,理想化为梯形波。为清第22页楚起见,考虑了前后沿的倾斜;第三,i。前后沿的时间按斜线部分的起止点计,不考虑脉冲技术中按10%到90%幅值计的严格定义。简化之后的三极管的时间特性图见图35。参照图35的波形,i。前沿较i。延迟了。从i。前沿到i。上升到顶的t。,称为三极管的上升时间,一般说来,t,不太大。I。后沿延迟了t。+t。,其中t。是从i。的下降沿起到i。开始下降为止的时间,称为储存时间,t,是从i。开始下降到底的时间,称为下降时间。在电路设计应J用中,t。

54、和t,对开关管的功耗很重要。理想的I|,、“1十一U 开关工作只有“通”和“断”两种状态。“通”:i态管压降只有三极管饱和压降u。并很小;“断”态集电极电流只有漏电流,数值也甚小;所以管压降和电流的乘积即总管耗很小,从而形成斩波驱动低功耗、高效率的特点。但在t。一仨耷。h ttf图3-5和t,期间,既有电流又有电压,形成管耗。而且t。和t。相对于开关周期越长(所占比例越大,每周期功耗积累越大,平均功耗也越大。正是由于这个原因,也限制了开关周期的减小,即限制了开关频率的提高“。由于本驱动器控制部分需要多组电源电压,因此决定采用开关电源稳压供电,开关功率管选用BU2515AX,该管的典型参数如下:

55、反向耐BV。o=1500V,最大集电极电流I。=10A,最大功耗P。=IOOW”。(1结构在电力变换和控制装置中广泛使用的是双极型晶体管或晶闸管,这些双极型的功率器件在高压、大电流方面显示出很大优点,然而在高速化与低功率驱动化方面还不行。近年来,随着功率MOSFET制造工艺的进步和技术性能的不第23页断提高,大功率VMOS管得到了广泛地应用,特别是近期采用了超大规模集成电路的微细加工工艺和芯片的优化设计,大容量的功率模块也已产品化、系列化。由于MOSFET管是单极型器件,因此本质上具有很高的开关频率和极低的功率驱动的特点。本新型驱动器的功率输出管采用的就是美国国际整流公司的IRF640N”“。

56、其结构的断面如图36所示,等效电路如图37所示。G。+6.、霸图3-6图37从结构的断面可看出,沟道是通过p与n的双重杂质扩散而形成的,故称DMOS。此外,从它的工作原理来看,电流是垂赢走向的,所以这种功率MOSFET 又称作VDMOS(V表示垂直,而D表示双重扩散。VMOS管有源(s、栅(G和漏(D三个电极。当在它的栅极上加正电压时,处于栅极下面的硅材料表面感应出负电荷,形成n型的反形层,一般称它为沟道。漏极上加正电压时,漏电流沿垂直方向通过n+n一层,继续经过沟道向源极流去。采用VDMOS结构可以制成高耐压、大电流和通态电阻小的功率器件。功率MOSFET的外形与双极型晶体管的封装外形一样,

57、也采用TO一92、TO220、TO3P等的树脂封装和TO一3金属外壳密封等。另外,与双极型晶体管模块一样,将多个功率MOSFET芯片按特定连线安排在绝缘基片上,然后放入树脂外壳内构成模块。IRF640图38第24丽山东大学硕士学位论文采用TO220封装,外形如图38所示。(2特点常规的双极型晶体管,从本质上讲是一种电流型驱动器件,通过向基极层区注入少数载流子进行调制而改变集电极电流。与此不同,MOSFET是一种电压控制的功率器件,属于场控形式。只要在源一栅极之间加上一定的电压,就能产生流过漏极的电流,如图39所示。栅极由一层很薄的氧化硅膜实现同源极的电隔离,当栅极上加一定的直流电压时,不会产生栅极电流,输入阻抗很高。由于栅一源极间加上了电压,MOSFET内部就建起了漏一源极间进行电阻调制的电场,并当漏极上加电压时,就会出现漏极电流。因此,MOSFET称为多子器件,不存在少子存储现象,它的开关速度很高,非常适于在高频