采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路

张定元

摘 要：步进电动机在工程中最常使用的电动机类型，而作为步进电动机信号的控制装置，其驱动电路的形式也有很多种。本论文主要涉及到了包含了检测反馈控制功能的步进电动机高低压驱动电路的组成，还有它工作时所涉及的理论知识和在其使用过程中涉及到的具体参数变量的设计。本篇论文的作者采用了试验的方式，对传统定时控制高低压驱动电路、具有反馈控制的高低压驱动电路还有恒流斩波驱动电路进行综合分析和比较，得到其电路功能和荷载能力的关系。

关键词：步进电动机 驱动电路 反馈控制 检测

1、引言

对于驱动电路来说，它的位置处在于主电路和控制电路中间的部分，主要的起到的作用是用来对来自于控制电路的信号进行相应倍数的扩大，因为只有当来自于控制电路的信号到达一定的程度时，这个信号才可以使功率晶体管达到正常工作的状态，而高低压驱动电路是一种特殊的驱动电路，高低压驱动电路又可以被叫做双电压驱动电路，它包括以下两种形式，即分时控制控制驱动和脉冲变压器式驱动。脉冲变压器式驱动电路具有非常简便的物理结构，它是利用变压器的工作原理进行工作，利用的是次级感应电压来直接驱动绝缘栅双极型晶体管，因为变压器具有阻抗变换和隔离的作用，所以它可以使整个驱动过程更加简单，不仅简化了步进电机的整个驱动过程，还能完善其他驱动装置所不能解决问题，比如，他可以使驱动电路的供电装置和绝缘栅双极型晶体管的电源供电连接。这种类型的驱动电路还可以提高绝缘栅双极型晶体管开关速度，具有稳压的效果，是目前使用范围比较广泛的一种电机驱动电路。但也是因为在结构中装备了变压器的缘故，所以其制造起来更加复杂，需要更加细致的制造工艺，因此增加了其制造成本，而且其生产不可以批量化，为大规模的制作脉冲变压器式驱动电路增加了麻烦；而定时控制高低压驱动电路中使用的关键性元器件是单稳态触发器，通过单稳态触发器可以把控制脉冲进行隔离，分解了一个同步的窄脉冲，来充当高压部分的有效控制信号。这个窄脉冲的宽度是单稳态触发器的暂态过程Δt，在其工作运行时，高低压控制管之间是联通的。在其处于工作状态时，对于Δt的大小控制比较严格，Δt过大过小都会影响它的驱动能力，当Δt如果过大时，步进电机会产生很大的电流，将会超出驱动管的负载能力烧坏两个驱动装置，严重的时候甚至可以烧坏整个不仅电动机；但是如果Δt过小，就不能够有效的改善步进电动机的高频性能，在步进电动机处于高频炉工作状态时，可能会产生丢步问题。在通常情况下，Δt的取值遵循一定的规律，它选取和主回路中的电气时间常数τ大小相同的数值。恒流斩波驱动电路在工作时，当处在同一个控制脉冲周期里时，整个工作过程会不断的进行导通、截止的工作，这样复杂的工作程序会加控制管温度升高的过程，当控制管的温度过高时，其驱动能力会被大大的阻碍，所以当工作电流或者管内的电压差超过系统正常的负载能力时，会加快控制管的能量损耗过程，造成更多能量的浪费。在这以外，斩波电路在工作的过程中伴随着电流的不断改变也会产生相应的噪音现象，这种噪音又被称作为高频电磁噪音。为此，本篇论文的作者，又针对此种现象设计了带有反馈环节的高低压驱动电路，可以检测驱动电路的工作性能，利用反馈控制高压管连通的时间快慢，适应不同的运转频率，来减少管路的能量损耗，抑制升温过程，提高系统的驱动效率。

2、电路原理与参数计算

通过比较高低压反馈控制电路的结构组成可以了解到，这个电路在一般情况下的高低压驱动电路中额外加设了电流检测电阻Rd还有反馈控制环节还有附加的驱动逻辑电路。

如果电流不断加大，增大到电动机额定电流的1.2倍时，电流检测电阻就会发挥其作用，检测电阻Rd上面的电压Uc不断增大会超过参考的标准电压Uref，这时检测部分开始工作，会输出一个正脉冲抑制高压部分的工作，直接使高压管的工作被切断；这时候电源的来源是低压电源，低压电源UL通过VD2 提供电能，使電路中的电流大致在额定电流的0.9到1倍左右。因为电压电源提供的电源有限，会使电路中的电流低于高压电源所能给予的上升电流；Rd电阻之上的电压Uc也会低于参考电压值Uref， 这是检测部分就会停止工作，不在提供正向脉冲的输出，这样在一个控制脉冲存在的周期内，VT1只能工作一次，要么处于导通状态，要么处于截止状态，这样就会极大限度的减少VT1在整个工作过程中所消耗的能量，降低热量，减少损耗。而在此刻VT2 一直处在深度包和状态，自身拥有很小的压降，所以其热量的损耗就很小。在整个电路的参数应该遵循以下几个要求：

3、驱动电路的实验对比分析

实验表明：低频环境中工作的电路会产生很严重的电流超载，其最大电流严重的时候会达到步进电机额定电流的1.4倍，损害高低压控制管；而高频条件下工作的控制脉冲宽度很窄，最大电流很小，易产生丢步现象。根据实验可以得知，恒流斩波驱动电路可以在高低速时均具有很好的特性，但在斩波过程中损耗过大，会抑制电路的驱动效果。高低压反馈控制驱动电路在低频运行时不会产生电流的超载，改变电压Uref改变最大电流。

4、结论

（1）高低压反馈控制驱动电路可以很好的提高步进电动机的功能，不会出现低频过载、高频不足的丢步现象，还可以改变电源电压Uh来适应电路的不同需求，可以很好的提高步进电动机的工作特性。

（2）高低压反馈控制驱动降低了电磁噪音，减小能耗，加速性能好；

（3）高压控制管降低了步进电动机的保持力矩。

参考文献

[1]李仁定，等.电机的微机控制[M].北京：机械工业出版社.1999.

[2]章卫国.电机控制的理论与应用[M].西安：西北工业大学出版社，2007.