大功率步进电机高压开关型控制电路

大功率步进电机高压开关型控制电路陈应麟谢剑英袁长奎(上海交通大学)步进电机绕组属于电感性负载。对于小功率步进电机，由于它的电感小些，使用还比较方便。但对于大功率步进电机，例如输出力矩为2公斤米的国产各种型号的步进电机，其电感量达到十几乃至数百毫亨，这就给使用者带来不少麻烦。首先，大的电感使功率管易于遭受二次击穿而损坏；其次，电感量太大也影响了系统的快速性。为此，人们针对这一情况研究了大功率步进电机功放电路。目前用得较多的是高低压定时控制电路，其原理是，开机时先用高电压(一般为90—110'伏)对步进电机绕组强行供电，并在供电约几百至1千微秒左右时关断此电源，改由另一组低电压继续供电，以维持电机绕组中的电流，采用这种线路明显地缩短了电流建立时间，与只有一种电源供电情况对比，频响大大提高，输出力矩也有所增长。其不足之处是此电路串入了限流电阻，既增大了输出功耗，又影响了输出波形前后沿的陡度。而且线路采用定时控制，电机输出力矩也不够理想(看图1曲线o)。因此这种高低压定时控制线路还未能使大功率步进电机得到合理的利用。为此，我们设计了一种新型的高压开关型功放线路，它既能提高电机频响，又能提高输出力矩。尤其在低频段其效果更为显著(图1曲线6)。图lLB-160步进电机矩频(M-f)特性 a一采用高低压定时控制线路时； b一采用高压开关型控制线路时一、设计思想从步进电机工作原理可知，只要电机绕组上电流保持不变，输出力矩就不会大幅度下跌。换句话说，我们可在电机绕组上看其电流波形，如果出现矩形脉冲形状，电机输出力矩就大。事实上，要得到这种波形是非常困难的。因为：一方面步进电机绕组是一个电感负戴，通过该绕组的电流不可能是前后沿很陡的矩形脉冲；另一方面，步进电机在旋转过程中产生旋转磁场，会使脉冲电流波顶迅速降落，因此也得不到真正的矩形脉冲。而高低压定时控制线路正由于以上两个原因，尤其是波顶降落的影响，使步进●3J．电机绕组上电流有效值急剧下降(图2所示)，以致输出力矩变小。针对这一点，我们的设计思想是设法补偿电机绕组电流的下降，使其维持在某一数值上(这个数值由设计而定，在本设计中，我们定为诣安)，也就是说使步进电机绕组上的脉冲电流尽量接近矩形，从而获得良好的矩频特性。具体办法如图3所示。开机时大功率管y3，y编导通，当电机绕组在高电压U。(90—110伏)作用下电流很快上升到某一数值(我们称它为顶点)时，切断此电源，因此电流不能保持在顶点而渐渐下降；当绕组电流降到某一定值(我们称它为低点／时，上述电源再次接通，电机绕组在高电压作用下再次上升到顶点；以后高电压又一次关断，如此不断重复，使电机绕组电流不断得到补充，而维持在顶点和低点之间的平均值上(图4所示)。由于步进电机绕，占6．图2步进电机绕组电流波形图8高匝开关电路原理图顶点图4高压开关电路输出波形图组上电流下降不多，因而输出力矩下跌也不会过大。二、线路介绍高压开关型大功率步进电机功放线路框图如图5。线路利用了电流负反馈，通过综合、放大两部分控制re的通断，达到控制高压电源对电机竿组接通和关断的目的。为了说明主回路工、主回路2和反馈回路3控制步进电机绕组(五)的通电和断电情况，现将线路(图6)介绍如下。图5高压开关型功放线路框图(土)主回路J、主回路2主回路2包括r1．。r9、r9和rlo四个管子，主回路工包括由二极管刀。、及、从组成的门电路和r‘、rs、r9等三个管子。从设计角度来看，这些管子都处在开关工作状态，因此电路设计极其简单，但由于此电路的负载是功率步进电机绕组，电感大，故给管子带来苛刻的要求，尤其是对r，、r9、r。、r。这四个大功率管的要求更高，不但要求管子能通过大的电流(一般10一土7安)，而且要求管子能承受较高电压的冲击；即要求管子二次击穿耐量要高。由于线路中绕组电感较大，避免管子二次击穿而损坏仍然是本线路研究的主要问图6高压开关型线路图题。为确保线路正常工作，除了采用续流二极管外，在ra和r6两管子c6之间并入RC吸收回路(图了所示)。图7对放管‘‘接入吸收回略图当r。截止时，由于占为感性负载，会产生很大的反电势，这对r9是不利的。加入了RC电路，r：截止时只O中有电流流过，一方面起分流作用，使流经绕组的Jc能很快衰减到零；另一方面，由于电容O两端电压不能突变的原理，而使反峰电压不能一下子加到管子r3c6之间，起到了保护rs的作用。在只O吸收电路中，电阻丑越小，它的分流作用越强。从这个观点来看，希望电阻52数值取小一些为好。但如只取得太小会对r8有影响，这是因为在r3导通时，召O电路中的电容O经丑和r3放电，使T8有一较大电流流过，这对r8是不利的。为此把RG电路分成吸收和释放两条支路(图8所示)。当F8截止时，只110电路起吸收作用。根据上面分析，只u数值越小越好，这里取1．5欧。为了防止电容O放电时孟u也起作用，接入二极管Ds，起隔离作用。当r3导通时，Ri20电路中O经r：月19电路放电时，为使T8流过电流小些，盈19宜选大。经多次调试，一般只l。选取比Rll大土0倍以—匕较好，此处选用24欧。而O一般凭经验．3尸．图8 g5i收和释放两支路电原理图选取，选用0．4了微法。实践证明，采用了这些保护措施，减少了管子损坏，提高了线路可靠性。在这里还必须注意脉冲变压器(刀)的设计，要求在设计中必须保证两点：①脉冲波形有较陡的前后沿，以保证r。能迅速打开和关闭，使线路工作可靠。故采用了高导磁率的铁涂氧磁芯，②合理设计脉冲变压器的匝比，以保证次级线圈输出足够宽的脉冲供给T6基级。(2)反馈电路3它由取样电阻Kd、施密特整形电路、反相器几部分组成，它是控制大功率管r6开和关的主要支路。设计反馈电路，要注意两个问题：第一，取样电阻i2d的选取主要根据电机绕组最大电流和施密特电路阈值电压的大小。在本电路中，最大电流为13安，阈值电压为土．7弋P7P伏。所以Kd＝—lol——0．北欧。为了使电机绕组上最大电流有一个调节范围，把施密特电路中只s改为可调电阻。为了防止高频干扰，取样电阻输入线采用屏蔽线，并在施密特电路输入处(只s处)接上电容O。，以防止干扰进入施密特电路。在本线路中O。取0．22微法。取样电阻(Bd)用康铜丝绕制。第二，绕组电流最高点(或称顶点)和最低点(或称低点)的选取。顶点和低点距离太大(即顶点和低点差值过大)，则电机绕组电流的平均值达不到一定要求，影响输出力矩；如果顶点和低点距离太小，那么电流波形反馈个数较多，施密特输入管(r，)开和关就非常频繁，容易引进高频干扰，使系统不能正常工作，也要影响电机输出力矩。根据经验，顶点和低点相差4安电流值为最佳。如果高点和低点相差太小时，可以通过改变施密特电路回差大小，即改变图6中只。加以调节。经调试，此线路只9＝560欧。三、线路特点(土)由于实现了对电流的自动补偿，改善了矩频特性(图土曲线b)，增加了输出力矩。实验证明，同一类型的步进电机，采用高压开关型功放线路比采用高低压定时功放线路输出力矩要大得多(图1)。(2)本线路只采用一档电压(高压U。／，它比起高低压定时线路来说要简单得多，因此它具有电源变压器容量小，重量轻，耗电少等优点。侣)开关型功放线路能提高电机的频率响应，扩大了电机使用范围。

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