混合式功率步進電動機的新型驅動電路
王宗培 孫禮明(哈爾濱工業(yè)大學150001)
【摘 要】根據(jù)功率型混合式步進電動機目前常用的buck型升頻升壓驅動和單電壓橋臂斬波驅動兩種驅動系統(tǒng)運行的特性，提出了一種升頻升壓型．pwm恒相流斬波驅動方式。這種新型驅動電路解決了這兩個系統(tǒng)的平穩(wěn)性與快速性的矛盾。文中給出了電路參數(shù)的設計方法及實驗結果。
l引 言
功率型混合式步進電動機，一般相繞組電流較大，不適宜采用串電阻限流等簡單的驅動電路，目前常用的主要是buck型升頻升壓驅動和單電壓橋臂斬波驅動。采用buck型升頻升壓驅動方式時，功放橋的電壓跟隨cp脈沖頻率的變化，低頻時電壓低，相繞組電流波形的前、后沿變化較平緩，電機轉子向新的穩(wěn)定平衡位置運動的過沖小，或沒有過沖，角速度振動不明顯，表現(xiàn)出運轉平穩(wěn)和噪聲��；但是另一方面，buck型降壓器的主電路中含有一個lc低通濾波電路，目的是濾除載波分量，使功放級也即繞組的電壓波動小，由于該濾波器的帶寬有限，對于突變訊號有較大的衰減，使得系統(tǒng)的響應速度較慢，致使極限升降頻速度較慢，以及起動頻率較低。橋臂斬波驅動方式，由于直接對橋臂斬波，少一個濾波環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)的響應速度快，極限升降頻時間短，起動頻率較高。但是由于在低速運行時功放橋也是加的高壓，使得繞組電流變化加快，轉子運動過沖加大，角速度振動明顯，表現(xiàn)出運轉平穩(wěn)性較差和噪聲增大。以上對兩種不同驅動方式特點的分析，明顯表現(xiàn)出系統(tǒng)的快速性和運行平穩(wěn)性的矛盾。
本文將上述兩種驅動方式的特點結合起來，提出一種新的“升頻升壓型pwm恒相流斬波驅動方式”。該驅動方式因為有恒相流控制，所以功放級的電壓隨頻率上升快一些也不會引起過電流，升頻升壓快一些，繞組電流的變化(前后沿)加快，電動機的快速性提高，但平穩(wěn)性下降，從而可以根據(jù)系統(tǒng)工作的實際要求調節(jié)升頻升壓曲線，使得既滿足系統(tǒng)快速性的要求，又運轉較為平穩(wěn)。同時，由于恒相流控制可以消除轉子角速度波動引起繞組電流波動，也有利于改善電動機的運行特性。新驅動方式的恒相流部分采用各相繞組同頻率同相位的pwm斬波控制，消除了因繞組耦合產(chǎn)生差拍訊號而引起的電磁噪聲。該驅動系統(tǒng)結構簡單，功能模塊化，調試極為方便，現(xiàn)已產(chǎn)品化，本文介紹由哈杭電伺服技術研￡所生產(chǎn)，應用于130和200機座大轉矩的三相、五相和九相混合式步進電動機的驅動器的原理和設計特點。
2新型驅動系統(tǒng)的工作原理
圖1表示升頻升壓pwm恒相流斬波驅動電源的原理框圖。步進脈沖訊號輸入：一路到環(huán)形分配器，其輸出直接控制功放橋的開關元件，使步進電動機的通電狀態(tài)按一定的邏輯順序轉換；另一路到升頻升壓pwm脈沖生成電路，它輸出pwm脈沖的占空比d是cp脈沖頻率的某一函數(shù)，函數(shù)關系根據(jù)對電動機快速性的要求和對運行平穩(wěn)性的考慮折衷確定，該pwm脈沖控制buck變換器，它的輸出就是功放橋的工作電壓。功放橋的下橋臂也處在pwm斬波控制狀態(tài)，使相電流限定在極限值(或額定值)范圍內(nèi)。由于繞組電路的電壓由升頻升壓的函數(shù)確定，所以為了提高電動機高速運行性能而提高功放級的全導通電壓時，也不會影響電動機低速運行的平穩(wěn)性；由于相繞組電流有限定控制，所以升頻升壓的函數(shù)可以適當調節(jié)，電壓上升得稍快一些，也不會引起過電流，只會影響電流波形的前后沿，使電流變化加速，電動機的動態(tài)響應改善。
3 buck變換器參數(shù)的設計
buck變換器的電路結構如圖2所示。開關管可根據(jù)功放橋所要求的電壓及所需提供的電流的大小選定。圖中將作為變換器負載的功放橋和電動機等效成一個電流源，用io表示；濾波電感l(wèi)o和濾波電容co的值，對驅動系統(tǒng)的工作有一定的影響，所以對其參數(shù)的選擇較為重要。
文獻1針對以步進電動機為負載的buck變換器，給出l。和co的計算公式，并認為lo的求取應使電路工作在連續(xù)導電模式下，即lo的值應大于所求取的臨界電感。但是步進電動機的總電流和占空比隨著負載和運行頻率變化，算出的臨界電感便有不同值，且在某一占空比時(對應某一運行頻率)有一****電感量。取該電感量時，濾波環(huán)節(jié)的慣性偏大，產(chǎn)生二方面的影響，一是影響動態(tài)運行性能，使穩(wěn)態(tài)輸出和響應速度都有所下降；二是對振蕩的影響，電機振蕩需要吸收能量時，若電感量較大有足夠的儲能隨時可以提供，有時也會導致振蕩加劇，而且在工程上形成該電感比較困難，一般采用****電感量的線性電感，或利用鐵氧體的飽和特性近似形成該電感，這與步進電動機要求高頻時慣性環(huán)節(jié)減小相 |
