步進(jìn)電機(jī)
我們先了解步進(jìn)電機(jī)的一些基本知識(shí)，再了解步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動(dòng)。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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)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)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器把接收到信號(hào)脈沖脈沖轉(zhuǎn)化為電脈沖,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器每發(fā)出一個(gè)信號(hào)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。控制器可以通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而準(zhǔn)確定位。通過(guò)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：
結(jié)構(gòu)圖一般是這樣的：
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(shuō)起。先上一個(gè)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖：
先從這個(gè)簡(jiǎn)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(chǎng)是相反的，位置也是相對(duì)的。這2組繞組對(duì)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(chǎng)變成電磁鐵，轉(zhuǎn)子為永磁體，磁場(chǎng)將對(duì)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(chǎng)，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(guò)程，則轉(zhuǎn)子可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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。
定子繞組：定子每極上套有一個(gè)集中繞組，相對(duì)兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。
轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子上只有齒槽沒(méi)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(xiàn)圈的單相步進(jìn)電機(jī)。雖說(shuō)單相，實(shí)為一個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通方向交互反轉(zhuǎn)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)設(shè)計(jì)分析
步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動(dòng)，H橋功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)。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(shuō)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(dòng)。本文以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為例來(lái)設(shè)計(jì)H橋驅(qū)動(dòng)電路。
步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動(dòng)-電路原理
步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動(dòng)，圖1給出了H橋驅(qū)動(dòng)電路與步進(jìn)電機(jī)AB相繞組連接的電路框圖。
個(gè)開(kāi)關(guān)K1和K4，K2和K3分別受控制信號(hào)a，b的控制，當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)K1，K4合上，K2，K3斷開(kāi)時(shí)，電流在線(xiàn)圈中的流向如圖1(a)，當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)K2，K3合上，K1，K4斷開(kāi)時(shí)，電流在線(xiàn)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(kāi)關(guān)受控制由閉合轉(zhuǎn)向斷開(kāi)時(shí)，由于此時(shí)線(xiàn)圈繞組AB上的電流不能突變，仍需按原電流方向流動(dòng)(即A→B)，此時(shí)由VD3，VD2來(lái)提供回路。因此，電流在K1，K4關(guān)斷的瞬間由地→VD3→線(xiàn)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(kāi)關(guān)K2，K3關(guān)斷的瞬間，由二極管VD4，VD1提供線(xiàn)圈繞組的續(xù)流，電流回路為地→VD4→線(xiàn)圈繞BA→VD1→電源+Vs。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，實(shí)現(xiàn)上述開(kāi)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(dòng)電路原理可知，電流在繞組中流動(dòng)是兩個(gè)完全相反的方向。推動(dòng)級(jí)的信號(hào)邏輯應(yīng)使對(duì)角線(xiàn)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(guò)渡的時(shí)間常不變，使得繞組電流還沒(méi)來(lái)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(dòng)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(dòng)除了電機(jī)的設(shè)計(jì)盡量地減少繞組電感量外，還要對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的驅(qū)動(dòng)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(dòng)-電路設(shè)計(jì)
圖2給出了步進(jìn)電機(jī)mos管驅(qū)動(dòng)器AB相線(xiàn)圈功率驅(qū)動(dòng)部分原理圖。
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(hào)是由TTL邏輯電平a，a，b，b來(lái)提供的，其中a與a，b與b在邏輯上互反。
驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器中由于功率MOSFET管柵極電容的存在，對(duì)該管的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際表現(xiàn)為對(duì)柵極電容的充、放電。極間電容越大，在開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)中所需的驅(qū)動(dòng)電流也越大，為使開(kāi)關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅(qū)動(dòng)電流要具有較大的數(shù)值。如果直接用集電極開(kāi)路的器件如SN7407驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管，則電路在MOSFET管帶感性負(fù)載時(shí)，上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成動(dòng)態(tài)損耗增大。為改進(jìn)功率MOSFET管的快速開(kāi)通時(shí)間，同時(shí)也減少在前級(jí)門(mén)電路上的功耗，采用圖2虛線(xiàn)框內(nèi)的左下臂驅(qū)動(dòng)電路。
集電極開(kāi)路器件U14是將TTL電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平的緩沖/驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)U14輸出低電平時(shí)，功率MOSFET管VT2的柵極電容通過(guò)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(guò)的電流限制。而當(dāng)U14輸出為高電平時(shí)，VT2管的柵極通過(guò)晶體管V3獲得電壓和電流，充電能力提高，因而開(kāi)通速度加快。
保護(hù)功能
圖2虛線(xiàn)框中，1N4744是柵源間的過(guò)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會(huì)通過(guò)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(huì)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(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此，要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(dòng)，即VT2管(和VB)截止，VT1管(和VT4管)導(dǎo)通，電流經(jīng)VT1管流過(guò)繞組。當(dāng)下一個(gè)控制信號(hào)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(huì)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(guò)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(guò)反向電流，以保證VT1，VT2在動(dòng)態(tài)工作時(shí)能起正常的開(kāi)關(guān)作用。VD19，VD20，VD21，VD22的作用亦是同樣的道理。
對(duì)圖2電路的分析可知，信號(hào)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(guò)程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間，總稱(chēng)關(guān)斷時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，晶體管并沒(méi)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(kāi)，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。
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