大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

1、四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)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(xué)院機(jī)械工程系,成都,郵編:611744大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)張永相3鄧成中王立新機(jī)電工程教研室成都393信箱摘要本文通過(guò)大型車床的數(shù)控改造實(shí)踐,論述了大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源中脈寬調(diào)制斬波和專用大功率驅(qū)動(dòng)器件的問(wèn)題。關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī);脈寬調(diào)制(PWM ;功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET 中圖分類號(hào):TM34;TM383140概述近年來(lái),隨著步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)性能的逐步提高,它在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用

2、也愈來(lái)愈廣泛。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源上,一方面由于采用了高壓驅(qū)動(dòng)、細(xì)分技術(shù)以及最佳升降頻控制,步進(jìn)電機(jī)接近于連續(xù)運(yùn)行,大大提高了快速性和運(yùn)動(dòng)精度,使步進(jìn)電機(jī)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(dòng)技術(shù)的進(jìn)步,使功率步進(jìn)電機(jī)同時(shí)又朝著大功率應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展,大型機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控便是其中之一。在大型機(jī)床的經(jīng)濟(jì)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(chǎng)控晶體管,能實(shí)現(xiàn)大功率步進(jìn)電機(jī)的高頻高效驅(qū)動(dòng),并具有低成本和高可靠性。據(jù)有關(guān)調(diào)查及對(duì)大型車床的數(shù)控改造實(shí)踐表明:采用(PWM +MOSFET 的驅(qū)動(dòng)方式,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的靜力矩

3、可達(dá)40N m ,混合式步進(jìn)電機(jī)靜力矩可達(dá)80N m ,采用滾珠絲桿條件下的最高運(yùn)行速度可達(dá)10m/Min ,步進(jìn)電機(jī)完全可以應(yīng)用于低成本大功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。1基本原理通常高壓斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖1示。這種電路與單電壓限流型及高低壓驅(qū)動(dòng)相比,步進(jìn)電機(jī)繞阻電流波形的前后沿陡,無(wú)頂部下凹的現(xiàn)象,并且在高頻大負(fù)載時(shí)仍具有較寬的平頂(不下凹,繞阻負(fù)載電流也較為恒定,起動(dòng)和運(yùn)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(shí)際驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試中,采用多相通電(步進(jìn)電機(jī)帶載運(yùn)動(dòng)時(shí),由于步進(jìn)電機(jī)繞阻電流頂部的鋸齒波形波動(dòng)頻率較低(效率一般為幾kHz 到十幾kHz ,與步進(jìn)電機(jī)型號(hào)、驅(qū)動(dòng)電

4、壓、驅(qū)動(dòng)電流有關(guān),故電磁噪聲較大。同時(shí),由于運(yùn)行中步進(jìn)電機(jī)各相繞阻的電感不可避免會(huì)發(fā)生瞬時(shí)變化,以及它們的互感作用,各相繞阻電流會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)沖現(xiàn)象。對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)按三相六拍驅(qū)動(dòng)時(shí),其繞阻電流波形如圖2b 所示,出現(xiàn)23個(gè)過(guò)沖現(xiàn)象。對(duì)于大功率步進(jìn)電機(jī),這種過(guò)沖電流是極其有害的,它使步進(jìn)電機(jī)繞阻異常發(fā)熱,驅(qū)動(dòng)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(dòng)原理圖2步進(jìn)電機(jī)一相繞阻電流波形圖要消除這種電磁噪聲及步進(jìn)電機(jī)繞阻電流局部過(guò)沖現(xiàn)象,一般可采用MOSFET 場(chǎng)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(lái)消除差拍噪聲。在設(shè)計(jì)應(yīng)用中,斬波頻率一般應(yīng)比由環(huán)形

5、分配器或單片機(jī)輸出的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率高10倍以上。在后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)中,如果采用大功率晶體管開(kāi)關(guān)管來(lái)設(shè)計(jì),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(dòng)功率也較大,驅(qū)動(dòng)線路也較復(fù)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(jiǎn)圖MOSFET 是一種單極控制器件,其開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)比達(dá)林頓功率管和大功率三極管高,最高可達(dá)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(wú)二次擊穿問(wèn)題,這使MOS 2FET 安全工作區(qū)寬,可設(shè)計(jì)較大的功率。在后級(jí)功率放大電路中,采用MOSFET 設(shè)計(jì)大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

6、電源是一個(gè)理想的選擇。設(shè)計(jì)MOSFET 的驅(qū)動(dòng)線路,通常采用MOSFET 專用驅(qū)動(dòng)器件,其原理簡(jiǎn)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(bǔ)輸出,提高了MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路的快速性。MOSFET 的開(kāi)關(guān)頻率由時(shí)鐘信號(hào)CP 觸發(fā)PWM 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn),各相開(kāi)關(guān)頻率受同一時(shí)鐘信號(hào)控制,從而達(dá)到了各相的同頻斬波。(PWM +MOSFET ,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示:由環(huán)形分配器或單片機(jī)輸出的步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)脈沖信號(hào)進(jìn)入PWM 控制器,經(jīng)PWM 控制器處理后分成兩路:一路送入上開(kāi)關(guān)管T 1,使T 1導(dǎo)通;一路送入下開(kāi)關(guān)管T 2,使T 2導(dǎo)通。R 4為電流檢測(cè)電阻。當(dāng)步進(jìn)電

7、機(jī)繞阻達(dá)到額定值時(shí),其電流值通過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)換,輸出一控制電壓進(jìn)入PWM 控制器。PWM 控制器輸出一調(diào)寬脈沖改變上開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間,從而達(dá)到繞阻恒流的目的。另外,PWM 控制器可對(duì)步進(jìn)電機(jī)繞阻電流上升速率作檢測(cè),從而防止繞阻電流過(guò)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(luò)保護(hù)T 1管,由R 2、D 3、C 2組成的阻容濾波網(wǎng)絡(luò)保護(hù)T 2管,放電回路2四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)1997年圖4(PWM +MOSFET 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖中D 1、D 4必須選用快恢復(fù)續(xù)流二極管,適當(dāng)選擇R 3可使步進(jìn)電機(jī)繞阻電流下降沿變陡。這種電路在實(shí)際測(cè)試中,波形非常好,其波形如圖2c 所示。在實(shí)際

8、使用中,PWM 控制器還有半電流控制端CY ,使步進(jìn)電機(jī)在靜止時(shí)以半電流鎖定,以減少發(fā)熱,降低功耗。2應(yīng)用上述驅(qū)動(dòng)電源在對(duì)C650及落地車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造中,應(yīng)用一年多情況良好。Z 向步進(jìn)電機(jī)選用LB180(靜力矩40N m ,相電流調(diào)至23A ,X 向步進(jìn)電機(jī)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(wú)該規(guī)格的滾珠絲桿,空載運(yùn)行實(shí)測(cè)能保持0101mm 的步距精度。在加工鑄鋼件時(shí),吃刀深度18mm 時(shí)也不丟步。在三班制工作時(shí),性能也保持相當(dāng)穩(wěn)定。可見(jiàn),(PWM +MOSFET 是一種優(yōu)良的大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。3結(jié)語(yǔ)交、直流伺服電機(jī)并不是大功率數(shù)

9、控驅(qū)動(dòng)的唯一選擇,采用脈寬調(diào)制(PWM 斬波恒流控制和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),完全可以應(yīng)用于大型機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造中,并且有良好的可靠性,但進(jìn)一步提高大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的快速性和精度,還有待后繼續(xù)研究與實(shí)踐。參考文獻(xiàn)1余永權(quán)等1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)1北京:航空航天大學(xué)出版社,19922符友方1提高步進(jìn)電機(jī)高頻力矩的方法1機(jī)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