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  • 步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動設(shè)計(jì)和電路圖-步進(jìn)電機(jī)原理驅(qū)動方法
    • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-15 16:18:25
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    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動設(shè)計(jì)和電路圖-步進(jìn)電機(jī)原理驅(qū)動方法
    步進(jìn)電機(jī)
    我們先了解步進(jìn)電機(jī)的一些基本知識,再了解步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移,是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件,應(yīng)用極為廣泛。
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動
    步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)三部分組成,步進(jìn)電機(jī)控制器是指揮中心,它發(fā)出信號脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器把接收到信號脈沖脈沖轉(zhuǎn)化為電脈沖,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動,控制器每發(fā)出一個(gè)信號脈沖,步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??刂破骺梢酝ㄟ^控制脈沖數(shù)量來控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,從而準(zhǔn)確定位。通過控制脈沖頻率精確控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
    步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理
    (一)結(jié)構(gòu)
    我們一般用的步進(jìn)電機(jī)是這樣的:
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動
    結(jié)構(gòu)圖一般是這樣的:
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動
    那么這個(gè)AC,BD代表什么呢?步進(jìn)電機(jī)又為什么具有以上的那些特點(diǎn)呢?這就要從步進(jìn)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)說起。先上一個(gè)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖:
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動
    先從這個(gè)簡單的圖分析原理,圖中有兩組繞組A A-,B B-,可以看出他們分別形成的磁場是相反的,位置也是相對的。這2組繞組對應(yīng)真實(shí)圖中的AC和BD。
    定子為鐵芯,A A-,B B-繞在鐵芯上,通電之后產(chǎn)生磁場變成電磁鐵,轉(zhuǎn)子為永磁體,磁場將對轉(zhuǎn)自產(chǎn)生吸引或者排斥。
    左上圖A A-吸引轉(zhuǎn)子,使得轉(zhuǎn)子豎直(此時(shí)只有A A-通電)當(dāng)B B-也通電后,B B-也產(chǎn)生磁場,此時(shí)轉(zhuǎn)自將像A B中間區(qū)域偏轉(zhuǎn),具體偏轉(zhuǎn)角度跟A B上電流大小比例有關(guān)。
    左下圖此時(shí)A A-斷電,B B-繼續(xù)通電,則轉(zhuǎn)子被吸引到水平位置。
    右下圖此時(shí)A A-反向通電,B B-繼續(xù)通電,則轉(zhuǎn)自順時(shí)針旋轉(zhuǎn),重復(fù)以上過程,則轉(zhuǎn)子可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并控制通電的時(shí)機(jī)以及順序,便可以達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。
    定子鐵心:定子鐵心為凸極結(jié)構(gòu),由硅鋼片迭壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動
    定子繞組:定子每極上套有一個(gè)集中繞組,相對兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。步進(jìn)電動機(jī)可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動
    轉(zhuǎn)子:轉(zhuǎn)子上只有齒槽沒有繞組,系統(tǒng)工作要求不同,轉(zhuǎn)子齒數(shù)也不同。定轉(zhuǎn)子齒形相同。
    (二)原理
    當(dāng)步進(jìn)電機(jī)切換一次定子繞組的激磁電流時(shí),轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度即步距角。步距角一般由切換的相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩得到,所以需要每相極數(shù)是偶數(shù)。步進(jìn)電機(jī)通常都為兩相以上的,當(dāng)然也有一些特殊的只有一個(gè)線圈的單相步進(jìn)電機(jī)。雖說單相,實(shí)為一個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通方向交互反轉(zhuǎn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)有單相、兩相、三相、四相、五相。
    現(xiàn)在使用的步進(jìn)電機(jī)大部分用永磁轉(zhuǎn)子。普遍使用永久磁鐵的原因是效率高,分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。以下以介紹永磁轉(zhuǎn)子為主。
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動設(shè)計(jì)分析
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動,H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動。永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電,也就是說繞組有時(shí)需正向電流,有時(shí)需反向電流,這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動。本文以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為例來設(shè)計(jì)H橋驅(qū)動電路。
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動-電路原理
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動,圖1給出了H橋驅(qū)動電路與步進(jìn)電機(jī)AB相繞組連接的電路框圖。
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動
    個(gè)開關(guān)K1和K4,K2和K3分別受控制信號a,b的控制,當(dāng)控制信號使開關(guān)K1,K4合上,K2,K3斷開時(shí),電流在線圈中的流向如圖1(a),當(dāng)控制信號使開關(guān)K2,K3合上,K1,K4斷開時(shí),電流在線圈中的流向如圖1(b)所示。4個(gè)二極管VD1,VD2,VD3,VD4為續(xù)流二極管,它們所起的作用是:以圖1(a)為例,當(dāng)K1,K4開關(guān)受控制由閉合轉(zhuǎn)向斷開時(shí),由于此時(shí)線圈繞組AB上的電流不能突變,仍需按原電流方向流動(即A→B),此時(shí)由VD3,VD2來提供回路。因此,電流在K1,K4關(guān)斷的瞬間由地→VD3→線圈繞組AB→VD2→電源+Vs形成續(xù)流回路。同理,在圖1(b)中,當(dāng)開關(guān)K2,K3關(guān)斷的瞬間,由二極管VD4,VD1提供線圈繞組的續(xù)流,電流回路為地→VD4→線圈繞BA→VD1→電源+Vs。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器中,實(shí)現(xiàn)上述開關(guān)功能的元件在實(shí)際電路中常采用功率MOSFET管。
    由步進(jìn)電機(jī)H橋驅(qū)動電路原理可知,電流在繞組中流動是兩個(gè)完全相反的方向。推動級的信號邏輯應(yīng)使對角線晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通,以免造成高低壓管的直通。
    另外,步進(jìn)電機(jī)的繞組是感性負(fù)載,在通電時(shí),隨著電機(jī)運(yùn)行頻率的升高,而過渡的時(shí)間常不變,使得繞組電流還沒來得及達(dá)到穩(wěn)態(tài)值又被切斷,平均電流變小,輸出力矩下降,當(dāng)驅(qū)動頻率高到一定的時(shí)候?qū)a(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步現(xiàn)象。因此,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動除了電機(jī)的設(shè)計(jì)盡量地減少繞組電感量外,還要對驅(qū)動電源采取措施,也就是提高導(dǎo)通相電流的前后沿陡度以提高電機(jī)運(yùn)行的性能。
    步進(jìn)電機(jī)的缺陷是高頻出力不足,低頻振蕩,步進(jìn)電機(jī)的性能除電機(jī)自身固有的性能外,驅(qū)動器的驅(qū)動電源也直接影響電機(jī)的特性。要想改善步進(jìn)電機(jī)的頻率特性,就必須提高電源電壓。
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動-電路設(shè)計(jì)
    圖2給出了步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動器AB相線圈功率驅(qū)動部分原理圖。
    步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動
    在圖2中,功率MOSFET管VT1,VT2,VT3,VT4和續(xù)流二極管 VD11,VD19,VD14,VD22相當(dāng)于圖1中的K1,K2,K3,K4和VD1,VD2,VD3,VD4。功率MOSFET管的控制信號是由TTL邏輯電平a,a,b,b來提供的,其中a與a,b與b在邏輯上互反。
    驅(qū)動電流前后沿的改善
    從步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性分析中知道,性能較高的驅(qū)動器都要求提供的電流前后沿要陡,以便改善電機(jī)的高頻響應(yīng)。本驅(qū)動器中由于功率MOSFET管柵極電容的存在,對該管的驅(qū)動電流實(shí)際表現(xiàn)為對柵極電容的充、放電。極間電容越大,在開關(guān)驅(qū)動中所需的驅(qū)動電流也越大,為使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度,驅(qū)動電流要具有較大的數(shù)值。如果直接用集電極開路的器件如SN7407驅(qū)動功率MOSFET管,則電路在MOSFET管帶感性負(fù)載時(shí),上升時(shí)間過長,會造成動態(tài)損耗增大。為改進(jìn)功率MOSFET管的快速開通時(shí)間,同時(shí)也減少在前級門電路上的功耗,采用圖2虛線框內(nèi)的左下臂驅(qū)動電路。
    集電極開路器件U14是將TTL電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平的緩沖/驅(qū)動器,當(dāng)U14輸出低電平時(shí),功率MOSFET管VT2的柵極電容通過1N4148被短路至地,這時(shí)U14吸收電流的能力受U14內(nèi)部導(dǎo)通管所允許通過的電流限制。而當(dāng)U14輸出為高電平時(shí),VT2管的柵極通過晶體管V3獲得電壓和電流,充電能力提高,因而開通速度加快。
    保護(hù)功能
    圖2虛線框中,1N4744是柵源間的過壓保護(hù)齊納二極管,其穩(wěn)壓值為15 V。由于,功率MOSFET管柵源間的阻抗很高,故工作于開關(guān)狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)幅度的VCS脈沖電壓。這一電壓會引起柵源擊穿造成管子的永久損壞,如果是正方向的VCS脈沖電壓,雖然達(dá)不到損壞器件的程度,但會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此,要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗,在柵源之間并接阻尼電阻或接一個(gè)穩(wěn)壓值小于20 V而又接近20V的齊納二極管1N4744,防止柵源開路工作。
    功率MOSFET管有內(nèi)接的快恢復(fù)二極管。當(dāng)不接VD11,VD12,VD13,VD14時(shí),假定此時(shí)電機(jī)AB相繞組由VT1管(和VT4管)驅(qū)動,即VT2管(和VB)截止,VT1管(和VT4管)導(dǎo)通,電流經(jīng)VT1管流過繞組。當(dāng)下一個(gè)控制信號使VT1管關(guān)斷時(shí),負(fù)載繞組的續(xù)流電流經(jīng)VT2的內(nèi)接快恢復(fù)二極管從地獲取。此時(shí),VT2管的漏源電壓即是該快恢復(fù)二極管的通態(tài)壓降,為一很小的負(fù)值。當(dāng)VT1再次導(dǎo)通時(shí),該快恢復(fù)二極管關(guān)斷,VT2的漏源電壓迅速上升,直至接近于正電源的電壓+VS,這意味著VT2漏源間要承受很高且邊沿很陡的上升電壓,該上升電壓反向加在VT2管內(nèi)的快恢復(fù)二極管兩端,會使快恢復(fù)二極管出現(xiàn)恢復(fù)效應(yīng),即有一個(gè)很大的電流流過加有反向電壓的快恢復(fù)二極管。
    為了抑制VT2管內(nèi)的快恢復(fù)二極管出現(xiàn)這種反向恢復(fù)效應(yīng),在圖2電路中接人了VD11,VD12,VD13,VD14。其中,反并聯(lián)快恢復(fù)二極管VD11,VD14的作用是為電機(jī)AB相繞組提供續(xù)流通路,VD12,VD13是為了使功率MOSFET管VT1,VT2內(nèi)部的快恢復(fù)二極管不流過反向電流,以保證VT1,VT2在動態(tài)工作時(shí)能起正常的開關(guān)作用。VD19,VD20,VD21,VD22的作用亦是同樣的道理。
    對圖2電路的分析可知,信號a=1,b=1的情況是不允許存在的,否則將因同時(shí)導(dǎo)通從而使電源直接連到地造成功率管的損壞;另外,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行脈沖分配的要求,VT1,VT2,VT3,VT4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài),由于晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲時(shí)間和電流下降時(shí)間,總稱關(guān)斷時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi),晶體管并沒完全關(guān)斷。若在此期間,另一個(gè)晶體管導(dǎo)通,則造成上、下兩管直通而使電源短路,燒壞晶體管或其他元器件。為了避免這種情況,可采取另加邏輯延時(shí)電路,以使H橋電路上、下兩管交替導(dǎo)通時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)“死區(qū)時(shí)間”,先關(guān)后開,防止上、下兩管直通現(xiàn)象。
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