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加工中心伺服系统的驱动电路
驱动电路
驱动电路的主要作用是对控制脉冲进行功率放大,以使步进电动机获得足够大的功率驱动负载运行。设计步进电动机驱动电路时应考虑步进电动机的运行特点。特别是要意在通电脉冲内应使励磁绕组的电流能快速地建立,而在断电时,电流又能快速地消失。由
于步进电动机绕组对驱动电路来说是感性负载,存在反电动势,其电流的建立和消失总是落后于电压。一般情况下可以认为,当经过3τ~4τ时间,绕组的电流近似达到稳定τ=L/(RS+R)LR分别为电动机绕组的电感和电阻,RS为串联在电动机电枢绕组中的电阻。由此可见,要保证电流快速建立和消失,应尽量减小时间常数τ 。对用户来讲,可采用在电动机绕组串联电阻RS的方式来减小时间常数。要注意,太大的RS会使电流减小,故需提高励磁电压,但励磁电压的提高又要受到开关元件耐压程度的限制,故步进电动机常采用高、低压双电压驱动。
(1)单电压驱动电源。图4.47所示为晶体管单电压驱动电源电路。Ucp是步进电动机的
脉冲控制信号,当控制信号Ucp为高电平时,功率晶体管V饱和导通,集电极电流流过电动机的一相绕组W。当控制信号Ucp为低电平时,功率晶体管V截止关断,此时电枢绕组会产生很大的反电动势,这个反电动势经续流二极管VD续流,电动机的电枢绕组仍有电流流过。续流二极管VD的另一个作用是防止功率晶体管V在截止时被高压击穿。因为若没有设置续流二极管,功率晶体管V截止时电枢绕组产生的很大反电动势会与电源电压U一起作用于功率晶体管V,使其击穿。Rd用来减小泄放回路的时间常数τ,τ=L/(RS+Rd+R),提高电流的泄放速度,从而改善电动机的高频特性。但Rd太大,会使步进电动机的低频性能明显变坏,电磁阻尼作用减弱,共振加剧。RS的一个作用是限制电枢绕组电流;另一个作用是减小绕组回路的时间常数,使绕组中的电流能够迅速地建立起来,提高电动机的工作频率。但RS太大,会因消耗太多功率而发热,且会减小绕组中的电压,所以单电压驱动电源一般用于小功率步进电动机的驱动。该电路只
 
图4.47晶体管单电压驱动电源电路
电容C用来提高绕组脉冲电流的前沿。当功率晶体管导通瞬间,电容相当于短路,使瞬间的冲击电流流过绕组,因此,绕组中脉冲电流的前沿明显变陡,从而提高了步进电动机的高频特性。
(2)双电压驱动电源。这种电路的特点是:它采用两套电源给电动机绕组供电,一套是高压电源,另一套是低压电源。步进电动机的绕组每次通电时,首先接通高压,维持一段时间,以保证电流以较快的速度上升,然后变为低压供电,维持绕组中的电流为额定值。这种驱动电路由于采用高压驱动,电流增长加快,绕组上脉冲电流的前沿变陡,使电动机的转矩、启动及运行频率都得到提高。又由于额定电流由低压维持,故只需较小的限流电阻,功耗较小。根据高压脉冲的控制方式不同,产生了如高压定时控制、恒流斩波控制、电流前沿控制、平滑斩波控制等各种派生电路。下面以恒流斩波控制为例说明双电压驱动电源的工作原理。恒流斩波驱动电源也称电流驱动电源,或称波顶补偿控制驱动电源。图4.48所示为恒流斩波驱动电源电路及波形图。图中高压功率晶体管Vg的通断同时受到步进脉冲信号Ucp和运算放大器N的控制。在步进脉冲信号Ucp为高电平时,一路经驱动电路驱动低压晶体管Vd导通,另一路通过晶体管V1和反相器D1及驱动电路驱动Vg导通,这时绕组由高压电源Ug供电。随着绕组电流的增大,反馈电阻Rf上的电压不断升高,当升高到比同相输入电压Us高时,运算放大器N输出低电平,V1的基极为低电平,V1截止,这样,Vg关断高压,绕组继续由低压Ud供电。当绕组电流下降时,Uf下降,当Uf<Us时,运算放大器N又输出高电平使二极管VD1截止,V1又导通,再次导通Vg。这个过程在步进脉冲有效期内不断重复,使电动机绕组中电流波顶的波动呈锯齿形变化,并限制在一定范围内。调节电位器RP,可改变运算放大器N的翻转电压,即改变绕组中电流的限定值。运
算放大器的增益越大,绕组的电流波动越小,电动机运转越平稳,电噪声也越小。这种驱动电源根据随时检测绕组电流值,导通或关断高压功率晶体管,实现高、低压切换。当绕组电流值上升到上限设定值时,高压功率晶体管关断,由低压电源供电,绕组电流值开始下降;当绕组电流值下降到下限设定值时,使高压功率晶体管导通,绕组电流值上升。这样,在一个步进信号周期内,高压功率晶体管多次通断,使绕组电流在上、下限之间波动,接近恒定值,提高了绕组电流的平均值,有效地抑制了电动机输出转矩的降低。但这种驱动电源的运行频率不能太高。因为运行频率太高,电动机绕组的通电周会缩短,高压功率晶体管开通时绕组电流来不及升到整定值,导致波顶补偿作用不明显
 
图4.48恒流斩波电源电路及波形
(3) 调频调压驱动电源。在电源电压一定时,步进电动机绕组电流的上冲值是随工作频率的升高而降低的,输出转矩随电动机转速的提高而降低。要保证步进电动机高频运行时的输出转矩不降低,需要提高供电电压。前述的各种驱动电源都是为保证绕组电流有较好的上升沿和幅值而设计的,从而有效地提高了步进电动机的工作频率。但在低频运行时,绕组中会被注入过多的能量而引起电动机的低频振荡和噪声。为解决此问题,便产生了调频调压驱动电源。调频调压驱动电源能够使步进电动机在低频运行时,供电电压降低,运行在高频时,供电电压升高。即供电电压随着步进电动机转速的增加而升高。这样,既解决了低频的振荡问题,也保证了高频运行时的输出转矩。在数控系统中,调频调压驱动电源可由软件配合适当的硬件电路实现,如图4.49所示。Ucp是步进控制信号,UcT
 
图4.49调频调压驱动电源
UcT输出一个负脉冲信号,晶体管V1和V2导通,电源电压通过电感Ls向电容C充电,充电时间由UcT负脉冲宽度ton决定。在UcT负脉冲过后,V1和V2截止,此时,若由Ucp步进控制信号控制晶体管V3导通,则由电感Ls产生的反电动势和电容C共同向电动机绕组放电。由此可见,向步进电动机供电电压U2的大小取决于V1和V2的导通时间,即取决于UcT负脉冲的宽度。负脉冲的宽度越大,电压U2越高。因此,根据Ucp步进控制信号Ucp的频率,调整UcT负脉冲的宽度,便可实现调频调压。步进电动机除了上述的驱动电源外,还有细分驱动电源。细分驱动电源是在一拍中,通电相的电流不是一次达到最大值,而是分成多次,每次使绕组电流增加一些。每次增加电流时,使转子转过一小步。同样,绕组电流的下降也是分多次完成。这样步进电动机原来的一个步距,便分成许多微步运动来完成,即实现了步距的细分。这样使步进电动机的分辨力得以提高,运动更加平稳,振动减小,噪声降低,且不易失步。要实现细分,需将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波。阶梯波控制信号可由很多方法产生,这里不再叙述
 

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