大功率步進電機驅(qū)動

1、四川工業(yè)學院學報J ou r nal of Sic h ua n I ns t i t u t e of Tec h nology1997;vol 16No.213收到日期:1996年5月28日3張永相,四川工業(yè)學院機械工程系,成都,郵編:611744大功率步進電機驅(qū)動張永相3鄧成中王立新機電工程教研室成都393信箱摘要本文通過大型車床的數(shù)控改造實踐,論述了大功率步進電機驅(qū)動電源中脈寬調(diào)制斬波和專用大功率驅(qū)動器件的問題。關(guān)鍵詞:步進電機;脈寬調(diào)制(PWM ;功率場效應晶體管(MOSFET 中圖分類號:TM34;TM383140概述近年來,隨著步進電機及其驅(qū)動性能的逐步提高,它在自動化領(lǐng)域的應用

2、也愈來愈廣泛。在步進電機驅(qū)動電源上,一方面由于采用了高壓驅(qū)動、細分技術(shù)以及最佳升降頻控制,步進電機接近于連續(xù)運行,大大提高了快速性和運動精度,使步進電機在中、小功率范圍內(nèi)向高速精密化領(lǐng)域滲透;而另一方面,又由于大功率電力電子器件及其驅(qū)動技術(shù)的進步,使功率步進電機同時又朝著大功率應用領(lǐng)域發(fā)展,大型機床的經(jīng)濟型數(shù)控便是其中之一。在大型機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造技術(shù)中,采用脈寬調(diào)制(PWM 斬波恒流控制,再配上MOSFET (功率場控晶體管,能實現(xiàn)大功率步進電機的高頻高效驅(qū)動,并具有低成本和高可靠性。據(jù)有關(guān)調(diào)查及對大型車床的數(shù)控改造實踐表明:采用(PWM +MOSFET 的驅(qū)動方式,反應式步進電機的靜力矩

3、可達40N m ,混合式步進電機靜力矩可達80N m ,采用滾珠絲桿條件下的最高運行速度可達10m/Min ,步進電機完全可以應用于低成本大功率驅(qū)動場合。1基本原理通常高壓斬波恒流驅(qū)動電路如圖1示。這種電路與單電壓限流型及高低壓驅(qū)動相比,步進電機繞阻電流波形的前后沿陡,無頂部下凹的現(xiàn)象,并且在高頻大負載時仍具有較寬的平頂(不下凹,繞阻負載電流也較為恒定,起動和運行的頻率特性都有明顯的提高。繞阻單相通電的電流波形如圖2a 所示。但是,在實際驅(qū)動電路的測試中,采用多相通電(步進電機帶載運動時,由于步進電機繞阻電流頂部的鋸齒波形波動頻率較低(效率一般為幾kHz 到十幾kHz ,與步進電機型號、驅(qū)動電

4、壓、驅(qū)動電流有關(guān),故電磁噪聲較大。同時,由于運行中步進電機各相繞阻的電感不可避免會發(fā)生瞬時變化,以及它們的互感作用,各相繞阻電流會產(chǎn)生局部過沖現(xiàn)象。對于三相步進電機按三相六拍驅(qū)動時,其繞阻電流波形如圖2b 所示,出現(xiàn)23個過沖現(xiàn)象。對于大功率步進電機,這種過沖電流是極其有害的,它使步進電機繞阻異常發(fā)熱,驅(qū)動力矩不夠,系統(tǒng)極有可能發(fā)生振蕩 。圖1高壓斬波恒流驅(qū)動原理圖2步進電機一相繞阻電流波形圖要消除這種電磁噪聲及步進電機繞阻電流局部過沖現(xiàn)象,一般可采用MOSFET 場控晶體管,允許將斬波頻率提高到超聲波段,并采用FWM 技術(shù)使各相斬波頻率相同來消除差拍噪聲。在設計應用中,斬波頻率一般應比由環(huán)形

5、分配器或單片機輸出的步進驅(qū)動脈沖頻率高10倍以上。在后級功率驅(qū)動中,如果采用大功率晶體管開關(guān)管來設計,由于它們的工作頻率較低,一般最高的頻率僅有106Hz ,且它們所要求的驅(qū)動功率也較大,驅(qū)動線路也較復雜。在晶體管的安全工作區(qū)如果選擇裕量較小,通常要發(fā)生二次擊穿。圖3MOSFET 專用器件的原理簡圖MOSFET 是一種單極控制器件,其開關(guān)頻率遠比達林頓功率管和大功率三極管高,最高可達109Hz 。并且,MOSFET 的輸入阻抗很高,具有自關(guān)斷能力,電流放大倍數(shù)大,無二次擊穿問題,這使MOS 2FET 安全工作區(qū)寬,可設計較大的功率。在后級功率放大電路中,采用MOSFET 設計大功率步進電機驅(qū)動

6、電源是一個理想的選擇。設計MOSFET 的驅(qū)動線路,通常采用MOSFET 專用驅(qū)動器件,其原理簡圖如圖3所示。前極采用高速光電隔離,后極采用NPN 和PNP 三極管互補輸出,提高了MOSFET 驅(qū)動電路的快速性。MOSFET 的開關(guān)頻率由時鐘信號CP 觸發(fā)PWM 控制器來實現(xiàn),各相開關(guān)頻率受同一時鐘信號控制,從而達到了各相的同頻斬波。(PWM +MOSFET ,步進電機驅(qū)動電路原理如圖4所示:由環(huán)形分配器或單片機輸出的步進電機步進脈沖信號進入PWM 控制器,經(jīng)PWM 控制器處理后分成兩路:一路送入上開關(guān)管T 1,使T 1導通;一路送入下開關(guān)管T 2,使T 2導通。R 4為電流檢測電阻。當步進電

7、機繞阻達到額定值時,其電流值通過電流/電壓轉(zhuǎn)換,輸出一控制電壓進入PWM 控制器。PWM 控制器輸出一調(diào)寬脈沖改變上開關(guān)管的開通時間,從而達到繞阻恒流的目的。另外,PWM 控制器可對步進電機繞阻電流上升速率作檢測,從而防止繞阻電流過沖現(xiàn)象。在圖4中,由R 1、D 2、C 1組成的阻容濾波網(wǎng)絡保護T 1管,由R 2、D 3、C 2組成的阻容濾波網(wǎng)絡保護T 2管,放電回路2四川工業(yè)學院學報1997年圖4(PWM +MOSFET 步進電機驅(qū)動電路原理圖中D 1、D 4必須選用快恢復續(xù)流二極管,適當選擇R 3可使步進電機繞阻電流下降沿變陡。這種電路在實際測試中,波形非常好,其波形如圖2c 所示。在實際

8、使用中,PWM 控制器還有半電流控制端CY ,使步進電機在靜止時以半電流鎖定,以減少發(fā)熱,降低功耗。2應用上述驅(qū)動電源在對C650及落地車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中,應用一年多情況良好。Z 向步進電機選用LB180(靜力矩40N m ,相電流調(diào)至23A ,X 向步進電機選用LB150(靜力矩20N m ,相電流調(diào)至18A ,在X 向未采用滾珠絲桿情況下(無該規(guī)格的滾珠絲桿,空載運行實測能保持0101mm 的步距精度。在加工鑄鋼件時,吃刀深度18mm 時也不丟步。在三班制工作時,性能也保持相當穩(wěn)定?？梢?(PWM +MOSFET 是一種優(yōu)良的大功率步進電機驅(qū)動電源。3結(jié)語交、直流伺服電機并不是大功率數(shù)

9、控驅(qū)動的唯一選擇,采用脈寬調(diào)制(PWM 斬波恒流控制和功率場效應晶體管(MOSFET 的步進電機驅(qū)動,完全可以應用于大型機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中,并且有良好的可靠性,但進一步提高大功率步進電機驅(qū)動的快速性和精度,還有待后繼續(xù)研究與實踐。參考文獻1余永權(quán)等1單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)1北京:航空航天大學出版社,19922符友方1提高步進電機高頻力矩的方法1機械與電子,1992,(4CH Driving Using High -Torque Pow er Stepping MotorsZhang Y ongxiang Deng ChengzhongTeaching &Research Section of Mechatronics Wang Lixin Postbox 393ChengduAbstract :Through the practice of CNC remoulding for a heavy lathe ,this paper discusses the problems about PWM and exclusive devices for high -torq