步進(jìn)電機(jī)新型驅(qū)動(dòng)器開發(fā)及其控制系統(tǒng)研究_圖文

1、山東大學(xué)碩士學(xué)位論文步進(jìn)電機(jī)新型驅(qū)動(dòng)器開發(fā)及其控制系統(tǒng)研究姓名:張建川申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師:路長厚摘要本文通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的詳細(xì)研究,開發(fā)研制出一種新型的恒流斬波式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。論述了新型驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中元器件的選型和開發(fā)研制方法,并進(jìn)行了理論建模和實(shí)驗(yàn)研究。開發(fā)研制出相應(yīng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。新型驅(qū)動(dòng)器著重對(duì)吸收回路部分進(jìn)行了較大的改進(jìn),用預(yù)充有電荷的電容器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的耗能元件,在理論上建立了此種吸收回路的數(shù)學(xué)模型。f并通過實(shí)驗(yàn)證明:采用這種電路后可極大地縮短繞組電流衰減到零所用的時(shí)間。由于電路中功放部分成功的應(yīng)用了功率MOSFET,提高了斬波頻率,降低了功放管自身的損

2、耗,極大提高了可靠性。將存儲(chǔ)在繞組上的磁場能量加以回收利用,采用電荷泵的方式將回饋給電源,減少了系統(tǒng)發(fā)熱,提高了電源利用率,較好地解決了一般步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)長期存在的低頻段共振失步,高頻、段出扭矩不足,以及功耗大,效率低等問題。斗/在控制系統(tǒng)開發(fā)研究與元器件的選型方面,充分利用了微電子技術(shù)的最新發(fā)展,將新一代高性能單片機(jī)hT89C2051用于步進(jìn)電機(jī)的伺服控制,充分發(fā)揮/-了單片機(jī)體積小、速度快、功耗低、計(jì)算功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。l利用單片機(jī)的通訊端口,實(shí)現(xiàn)了新型驅(qū)動(dòng)器與上位機(jī)的通訊功能,具備了一定的智能化,在一定程度上減輕了上位機(jī)的壓力,比較適合作為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。將可編程邏輯器件應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器的硬

3、件設(shè)計(jì),大大簡化了電路板的設(shè)計(jì)。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件PROTEL對(duì)電路板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),充分考慮了各種復(fù)雜環(huán)境因素對(duì)電路的影響,配以完善的軟件設(shè)計(jì),增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性,使用中從未發(fā)生過單片機(jī)“死機(jī)”現(xiàn)象。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟、停過程進(jìn)行了加減速最優(yōu)控制,使步進(jìn)電機(jī)的性能得到了更充分的發(fā)揮。第1頁本文的研究成果已在全國50多家企業(yè)中成功應(yīng)用,其先進(jìn)性和可靠性得到了充分證明。l關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī).新型驅(qū)動(dòng)器,能量回收:單片機(jī)控制第1I頁DEVELOPMENT AND RESEACH oF NEW TYPE DRIVER AND CoNTRoLLING SYSTEM oF STEPPING MoToRA

4、bstractBased on analysis on driving technology of stepping motor,a new constant current PWM stepping motor driver is developed.The selection of electronic components and chips are discussed and developing methods are described.Also。theoretical and experiment research are carried out about the new di

5、ver,as well as the corresponding single-chip computer control system are achieved.Key technology of the new type stepping motor driver is with an absorbing return tireuit,which uses capacitors filled in electric charge in advance instead of traditional dissipating elements.It is showed that the abso

6、rbing return circuit can greatly decreased time spent on attenuation of the current to zero by theoretical analysis and experiment research.ne successful application of power MOSFET enhances PWM frequenc5reduces energy loss of power transistor and greatly increases system reliabil毋.The magnetic ener

7、gy stored in the winding is returned to the power resource in the fornl of charge pump and utilized again.So the heat radiation of system is further reduced.nle new stepping motor driver solves well the problems about jointly vibration and loss step in low frequency region and inadequate torsion in

8、high frequency region,which existed in the common stepping motor drive systems for long time.At the aspect of the development of control system and selection of components and devices,new generation of high.quality single-chip computer-AT89C2051淅tll advantages of its smaller volume,hi曲er speed,lower

9、 power loss,powerful calculation ability is applied to servo-control of stepping mot01-.T1lis control system uses the communication port of AT89C2051to implement the communication function between the new driver and the uppler computer.The intelligence ofthis contr01system greatly lessens the pmssur

10、e ofthe upper compute r.Programmable logic devices are also applied to the hardware design of the new stepping motor driver and make the circuit board design simplified greatly.The computer-aided design software-PROTEL is used to optimize design of circuit board.A1l complicated influencing factors a

11、re coilsidered in order to strengthen the noiseimmunity of system so that"the hung systemnever occurs to the singlechip computer.Optimal contr01program of acceleration and deceleration jn the start and stop 第11J頁process of stepping motor is achieved.n has made the better performance of stepping

12、 motor.The research achievements of this thesis have been successfully applied to more也an50enterprises and its advance and reliability have been fully proved.Key words:Stepping motor,new driver,energy recovery,single-chip computer control第頁1.緒論1.1課題提出的背景針對(duì)目前國內(nèi)市場上標(biāo)牌打印機(jī)奇缺,牛產(chǎn)又有迫切需求的現(xiàn)實(shí),我們提出了開發(fā)一種新型數(shù)控標(biāo)牌打印

13、機(jī)的課題:設(shè)計(jì)出的原理如圖卜1所示。幽卜1圖卜1中,為微型計(jì)算機(jī)、為驅(qū)動(dòng)與控制主板、為驅(qū)動(dòng)元件、為施力機(jī)構(gòu)、為字庫、為檢測裝置、為工作臺(tái)與夾牌機(jī)構(gòu)、為選字分度機(jī)構(gòu)。這種打印機(jī)可廣泛用于實(shí)時(shí)在線打印機(jī)器標(biāo)牌(鋁牌、鐵牌、塑料牌等上的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù):如某鋼廠鋼材的標(biāo)牌內(nèi)容為:牌號(hào):20CrMnTi,爐號(hào):T98235規(guī)格:巾6.5mE重量:1450kg第1頁其中的非漢字部分均為實(shí)時(shí)在線打印內(nèi)容;在微機(jī)上進(jìn)行編輯后,傳遞給控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);由后者控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、自動(dòng)完成打印過程。由于大批量生產(chǎn)線的快節(jié)奏,對(duì)打印機(jī)的速度提出了很高的要求;其中的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)就成為開發(fā)任務(wù)中的重中之重。從成本和控制方便性考慮我們

14、擬選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制方案。步進(jìn)電機(jī)又有反應(yīng)式和混合式可用,后者力矩大但成本高;從批量生產(chǎn)的成本和用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力考慮,我們擬采用前者,并通過開發(fā)高性能的新型驅(qū)動(dòng)器來彌補(bǔ)其不足。因此,研制一種新型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器便成為本課題進(jìn)給系統(tǒng)的核心問題。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移(或線位移的增量運(yùn)動(dòng)電磁執(zhí)行器件“3,其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的個(gè)數(shù)、頻率有著嚴(yán)格的同步關(guān)系。它的歷史可追溯到十九世紀(jì)三十年代,真正把步進(jìn)電機(jī)理論用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和制造可供應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)是在1930年,之后這項(xiàng)技術(shù)徘徊了數(shù)十年之久,幾乎被拋棄,實(shí)際上,真正有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直到五十年代才問世

15、”1。隨著電子技術(shù)和數(shù)字計(jì)算的進(jìn)步,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用更加廣泛,作為執(zhí)行元件,它廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。六十年代,富士通公司首先將其應(yīng)用于機(jī)床上,組成開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),打破了閉環(huán)控制主載數(shù)控界的局面。1“1。步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的類型,實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器是密不可分的兩部分,兩者一起統(tǒng)稱為“步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)”或“步進(jìn)電機(jī)單元”,其運(yùn)行性能是電機(jī)和電路兩者配合所反映出來的綜合效果”1。效率、可靠性和驅(qū)動(dòng)能力是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路所要解決的三大問題。它們?nèi)咧g并非彼此孤立,而是相互制約的。驅(qū)動(dòng)能力隨電源電壓的升高而增大;但電路的功耗一般也相應(yīng)增大,使效率降低;可靠性則因?yàn)殡娐返墓脑龃?溫

16、度升高而降低。第2頁由于我們研制的產(chǎn)品一般用于產(chǎn)品生產(chǎn)線中,因此對(duì)設(shè)備的可靠性、動(dòng)作的準(zhǔn)確性和快速性要求較高?？紤]到設(shè)備的成本及對(duì)電機(jī)高頻響應(yīng)的要求,我們擬選用45BF005、55BF009反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)較其它形式步進(jìn)電機(jī)所要求的驅(qū)動(dòng)電流大,所以研發(fā)生產(chǎn)出運(yùn)行性能好、節(jié)省能源、可靠性好、造價(jià)低廉的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵。正是以上要求,作者擬對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行深入研究,力求開發(fā)出高性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。1.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展密切相關(guān)。目前,世界上的伺服系統(tǒng)可歸為步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、直流電機(jī)伺服系統(tǒng)、交流電機(jī)伺服系統(tǒng)。交

17、流伺服電機(jī)系統(tǒng)由于沒有電刷磨損和換向火花,維護(hù)簡單,可靠性高,高速性能優(yōu)越,在八十年代開始應(yīng)用至今,顯示出強(qiáng)大的生命力,但其伺服系統(tǒng)復(fù)雜,價(jià)格較貴。直流伺服電機(jī)系統(tǒng)的性能較好,但制造、和維護(hù)成本較高,目前已有被交流伺服取代的趨勢(shì)。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由于發(fā)展較早,電機(jī)成本低、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動(dòng)電源成本不高,因而具有良好的市場競爭力,在世界各國又獲得了新的評(píng)價(jià)”1。國內(nèi)出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床及其高檔產(chǎn)品絕大多數(shù)使用步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)作為伺服機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)性能的好壞,不僅取決于電機(jī)本身,更取決于其驅(qū)動(dòng)電源的性能。驅(qū)動(dòng)電源同步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)整體,不同形式的步進(jìn)電機(jī)其驅(qū)動(dòng)電源也有差異。永磁式步進(jìn)電機(jī)由于電機(jī)本身

18、具有自鎖轉(zhuǎn)矩,因而在國外一直是應(yīng)用廣泛的一種”。在國內(nèi)由于永磁式步進(jìn)電機(jī)制造技術(shù)尚未完全過關(guān),成本較高,因而在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用不普遍。但可預(yù)測,隨著國內(nèi)電機(jī)制造技術(shù)的完善及成本的降低,它將會(huì)在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中大顯身手。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)由于其力矩一隕性比高、步進(jìn)效率高、響應(yīng)速度快、機(jī)械第3頁結(jié)構(gòu)簡單、壽命長,無失步區(qū)、成本低。1,在國內(nèi)發(fā)展的歷史較長,制造技術(shù)完善,七十年代末已形成完整系列,性能又好,因而在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用得相當(dāng)廣泛”1。它是一種利用電磁鐵作用原理,將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的電機(jī)。其繞組不是恒定通電,而是脈沖式通電,繞組要注入一定幅值的電流,電機(jī)才能拖動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)。我們主要從以下兩個(gè)

19、方面進(jìn)行論述:(1電源功放級(jí)使用元件情況驅(qū)動(dòng)電源性能的好壞及可靠性,在很大程度上與末級(jí)功放所用功率元件直接相關(guān)。最初使用的末級(jí)功放元件是可控硅?？煽毓枋且环N脈沖觸發(fā)的開關(guān)器件,它突出的優(yōu)點(diǎn)是輸入功率小、輸出功率大、耐壓高、成本較低“。在七十年代,由于國內(nèi)大功率高反壓晶體管較少,所以用可控硅為功率器件的驅(qū)動(dòng)器曾一度占據(jù)主流。但是,可控硅雖然觸發(fā)簡單,但關(guān)斷困難,總的來看線路復(fù)雜、易形成誤觸發(fā)、可靠性差、不便于調(diào)試和維護(hù)、抗干擾能力不好,近些年來隨著大功率晶體管的發(fā)展一般不再采用。晶體三極管具有控制方便、調(diào)試容易開關(guān)速度快以及元件損耗小等優(yōu)點(diǎn),并且由于采用先進(jìn)的設(shè)計(jì),晶體管的開關(guān)特性和耐壓過流能力

20、有了相當(dāng)大的改進(jìn),因而近幾年國內(nèi)外絕大多數(shù)驅(qū)動(dòng)電源使用晶體三極管作為末級(jí)功放元件。近年來,由于V形槽金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(VMOSFET綜合了大功率雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn),具有大功率、高耐壓、高增益的特點(diǎn),且沒有少數(shù)載流子存貯時(shí)間和溫度失控,并有顯著的抑制二次擊穿特性“,因而使用它可大大提高驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。隨著成本的降低及使用經(jīng)驗(yàn)的積累,越來越多的驅(qū)動(dòng)電源將會(huì)使用MOSFET作為末級(jí)功放元件。(2驅(qū)動(dòng)電源電路結(jié)構(gòu)的發(fā)展第4頁不同形式的功率放大電路對(duì)電機(jī)性能的影響各不相同,這種不同形式的功率放大電路的差別主要是功率放大電路中不同的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。單電壓的驅(qū)動(dòng)電路在六十年代初期國外就

21、已大量使用,它的豐要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低“,在繞組回路中串接電阻,用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。缺點(diǎn)是:串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的熱,對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的正常工作極其不利,尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重,因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)更求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。隨著對(duì)步進(jìn)電機(jī)大功率驅(qū)動(dòng)和高頻工作的要求,六十年代末出現(xiàn)了高低壓電路,這種電路由于電流波形得到了很大改善,電機(jī)的矩頻特性很好,起動(dòng)和運(yùn)行頻率得到了很大提高。由于繞組回路中串接若干個(gè)較小的電阻,所以電源功耗較小。但由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢(shì)、相間互感等因素的影響易使電流波形的頂部呈凹形,致使電機(jī)的輸出力矩有所下降“。為了彌補(bǔ)高低壓電路中電流波

22、形的下凹,提高輸出轉(zhuǎn)矩,七十年代中期研制出斬波電路,該電路由于采用斬波技術(shù),使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動(dòng),流過繞組的有效電流相應(yīng)增加,故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大,而且不需外接電阻,整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降,效率較高,因而恒流斬波電路應(yīng)用相當(dāng)廣泛。國外對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究一直很活躍。目前,國外對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)的一個(gè)重要發(fā)展方向是大量采用專用芯片,結(jié)果是大大縮小了驅(qū)動(dòng)器的體積,明顯提高了整機(jī)的性能,比較典型的芯片有兩類。一類芯片的核心是用硬件和微程序來保證步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)合理的加減速過程,同時(shí)完成計(jì)長走步、正反轉(zhuǎn)等。對(duì)于開環(huán)使用的步進(jìn)電機(jī),實(shí)現(xiàn)合理的加減速過程便可使其達(dá)到較高的運(yùn)行頻率而不失步或過

23、沖。例如日本的PPMCl01B便是這種芯片。采用這類專用集成電路,可驅(qū)動(dòng)35相電機(jī),可選擇勵(lì)磁方式;轉(zhuǎn)速精確,設(shè)定的第5頁轉(zhuǎn)速范圍寬、加減速的過渡時(shí)間及上升陡度可根據(jù)負(fù)載選定;此外還有單步運(yùn)轉(zhuǎn)和不同的停止方式等功能。另一類芯片的核心是實(shí)現(xiàn)細(xì)分技術(shù),例如日本東芝公司的TA7774H二相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制芯片,其內(nèi)部集成了PWM斬波控制和函數(shù)型雙極驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分控制功能。目前由于集成芯片受到耐壓、電流容量的限制,一般只能用于小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)“。近年來,國外許多廠商相繼推出了多種步進(jìn)電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)芯片和多種不同功率等級(jí)的功率模塊,僅由幾個(gè)專用芯片和一個(gè)功率模塊便可構(gòu)成一個(gè)功能齊全、性能優(yōu)異的步進(jìn)電機(jī)

24、驅(qū)動(dòng)器,例如意大利SGS公司的L297和L298構(gòu)成的四相(二相定電流斬波驅(qū)動(dòng)器就屬此類。從上面的分析,我們可以看出,國外所采用的集成技術(shù)由于涉及到微電子技術(shù)、集成電路加工技術(shù)、電力電子技術(shù)的前沿,在我國目前的條件下還暫不能實(shí)現(xiàn),所以用集成加分立元件開發(fā)出適合我國國情的高性能驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的做法。1.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)展?fàn)顩r在微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以前,步進(jìn)電機(jī)的控制完全由硬件實(shí)現(xiàn)。比如環(huán)形分配器,就是由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路按照邏輯真值表組合而成,不同類型的電機(jī)、不同的工作方式就需要有不同的環(huán)形分配器,如果更換了電機(jī)類型或改變工作模式,則整個(gè)硬件電路需要重新設(shè)計(jì)。隨著以MCS一51系列為代表的

25、單片機(jī)的迅速普及,基于軟件為核心的通用環(huán)形分配器獲得了廣泛的應(yīng)用“,此類環(huán)分器僅需更換不同的軟件即可適應(yīng)各種電機(jī),而無需變更硬件,具有極大的靈活性。此外,在步進(jìn)電機(jī)的速度控制中,我們尋求的最佳升降速曲線是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性及矩頻特性得到的,在數(shù)學(xué)上這種曲線方程是比較復(fù)雜的,人們很難找到一種硬件電路來模擬它,只能在一定頻段內(nèi)做一種比較大的近似來擬合“?，F(xiàn)在,我們可以通過軟件編程來精確的模擬升降速曲線,并且結(jié)合第6頁當(dāng)前微型計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的最優(yōu)化控制。1.4本文的主要研究工作木課題主要擬完成以下幾點(diǎn)工作:(1針對(duì)當(dāng)前國際功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),尤其是大功率MOSFET

26、的出現(xiàn),將大功率VMOS管應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。充分利用功率MOSFET本身具有的特點(diǎn),結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路的良好設(shè)計(jì),開發(fā)研制結(jié)構(gòu)簡化,開關(guān)頻率和可靠性高的新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。(2跟蹤當(dāng)前單片微處理器的發(fā)展,將htmel公司的單片機(jī)和Lattice 公司的可編程器件引入驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì),將步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器由先前的硬件環(huán)分轉(zhuǎn)為現(xiàn)在的軟件環(huán)分,并用可編程器件代替標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路的硬件邏輯,以簡化電路板的設(shè)計(jì),節(jié)省電路板空間,并使驅(qū)動(dòng)器具備一定的智能化,可使步進(jìn)電機(jī)按照優(yōu)化的加減速曲線運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)以最短時(shí)間為目標(biāo)的最優(yōu)控制。(3對(duì)于單極驅(qū)動(dòng)方式而言,如何兼顧釋放回路的速度和效率是一個(gè)難點(diǎn)。本文擬開發(fā)一種全新的

27、快速釋放回路,在加快釋放回路速度的同時(shí)將多余的能量回收并回饋給電源,最大限度地提高電源效率、降低電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫升。(4研究開發(fā)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與上位主機(jī)的通訊軟硬件。我們擬研制的新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源具備和上位主機(jī)通訊的功能,并且可由多個(gè)驅(qū)動(dòng)器通過標(biāo)準(zhǔn)的通訊端口組成分布式結(jié)構(gòu),它們之間的協(xié)調(diào)則主要通過相關(guān)控制軟件完成。為保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性,我們擬采用匯編語言進(jìn)行編程。第7頁2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)要求與現(xiàn)狀分析步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移(或線位移的機(jī)電換能器。它與通常的交、直流電機(jī)一樣,是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的電磁元件。但它的勵(lì)磁繞組不能直接接到單相或三相正弦交流電網(wǎng)上,也不能簡單的和

28、直流電相接,必須和專用的驅(qū)動(dòng)器相接。步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。下面將詳細(xì)論述。2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的基本組成及工作要求圖2-1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方框圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理如圖2.1所示,控制電路產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需要的電脈沖信號(hào),脈沖分配器把電脈沖信號(hào)按規(guī)定的方式分配給步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組,使各項(xiàng)勵(lì)磁繞組輪流接受脈沖信號(hào)的控制?？刂齐娐方?jīng)脈沖分配后輸出的信號(hào)很低,不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率,必須進(jìn)行開關(guān)放大,這就是步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)部分。脈沖分配部分可以由硬件電路組成,也可由軟件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)脈沖分配由硬件實(shí)現(xiàn)時(shí),步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源包括脈沖分配和功率驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分;當(dāng)脈沖分配由軟

29、件實(shí)現(xiàn)時(shí),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源實(shí)際上只包含功率驅(qū)動(dòng)部分,控制電路多由微機(jī)及接口電路組成。步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源來講,是一種感性負(fù)載。為提高電機(jī)的性能指標(biāo)和系統(tǒng)的效率,設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)應(yīng)考慮一下問題“:第8頁(I通電周期內(nèi)能提供足夠大的矩形波或接近矩形波的電流。步進(jìn)電機(jī)負(fù)載的電感較大,由于存在反電動(dòng)勢(shì),電流不可能突然建立或突然消失,它將按指數(shù)規(guī)律上升或下降。如下式所示:卜÷-羔卜刁式中:I。電流的穩(wěn)態(tài)值(即額定電流值卜一電路時(shí)間常數(shù)f=三I一電機(jī)繞組電感(mI-Dr電機(jī)繞組內(nèi)阻(QR限流電阻(Q一般要經(jīng)過3至4個(gè)t的時(shí)間,電流才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。因此,步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)通電周期中,實(shí)際電流平均值

30、比理想的方波小,使得運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩小。在最后達(dá)到額定電流相同的情況下,電流上升的時(shí)間越長,輸出轉(zhuǎn)矩減小越明顯。隨著運(yùn)行頻率的增加,每相通電周期更加變短,t的影響相對(duì)加大,有可能電流剛剛建立就被切斷了,導(dǎo)致高頻輸出轉(zhuǎn)矩變小;而在關(guān)斷時(shí),電機(jī)勵(lì)磁繞組中的電流也不能立即消失,仍按指數(shù)規(guī)律衰減,也同樣需要3至4個(gè)t的時(shí)間,電流才能衰減至零。由步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理可知,當(dāng)脈沖指令切換到下一相勵(lì)磁時(shí),而前一相電流還沒有衰減到零,則產(chǎn)生一個(gè)負(fù)轉(zhuǎn)矩,故而使平均轉(zhuǎn)矩更加減小。因此設(shè)法改善驅(qū)動(dòng)電源的電流波形,是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要仟?jiǎng)?wù)之一。(2要求驅(qū)動(dòng)電源效率高、功耗小。為了改善步進(jìn)電機(jī)的電流波形,需要提高主回

31、路電源電壓,但又不能使相繞組電流超過額定值,往往需要在驅(qū)動(dòng)電路中串聯(lián)限流電阻,這樣勢(shì)必增加串聯(lián)電阻上的熱損耗(無用功損耗。雖然串聯(lián)電阻可使時(shí)間常數(shù)減小,提高運(yùn)行速度,但這種辦法,除增大熱損耗外,還會(huì)增加電源的負(fù)擔(dān),因此,已很少被應(yīng)用。如何合理地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路,使得既能保證步進(jìn)電機(jī)有良好的性能,又能減少損耗,是解決問題的關(guān)鍵。(3要求驅(qū)動(dòng)電源運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組對(duì)電源來講是一種感性負(fù)載,尤其是對(duì)功率大的電機(jī),電感更大,而且又處于開關(guān)的瞬變狀態(tài)。在斷電的瞬間,電機(jī)繞組兩端會(huì)產(chǎn)生很高的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),有時(shí)可高達(dá)數(shù)百甚至上千伏,如果吸收回路設(shè)計(jì)不好,將對(duì)功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件造成很大的沖擊,甚至造

32、成擊穿損壞。為提高驅(qū)動(dòng)電源可靠性,我們?cè)诠こ虒?shí)際中不僅要篩選元件、合理選擇參數(shù),還要很好地考慮保護(hù)措施,才能保證可靠、穩(wěn)定。(4要求驅(qū)動(dòng)器的成本低、便于生產(chǎn)。2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的幾種典型形式驅(qū)動(dòng)電源中對(duì)步進(jìn)電機(jī)性能有明顯影響的部分是功率驅(qū)動(dòng)電路輸出級(jí)的結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過多年的發(fā)展與完善,已逐步形成相對(duì)固定的幾種電路形式,它們各有特點(diǎn),下面簡單介紹幾種在驅(qū)動(dòng)電源發(fā)展過程中最常見的驅(qū)動(dòng)電路。單電壓驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用最早的一種電路形式,它的突出特點(diǎn)是線路簡單,主要應(yīng)用場合是驅(qū)動(dòng)對(duì)性能要求不高的小功率步進(jìn)電機(jī)。它的電原理圖如圖22所示。圖中,T為功率開關(guān)管,R為限流電阻,D為續(xù)流二極管。當(dāng)控制脈沖C

33、P前沿到來時(shí),Cp=“1”,前置放大后使功率管T導(dǎo)通,電流經(jīng)限流電阻R在電機(jī)繞組L上建立電流,由于電感的作用,電流,成指數(shù)規(guī)律增長,經(jīng)過3第10頁至4個(gè)周期后,工程上就認(rèn)為電流達(dá)到了穩(wěn)定值,其電流波形見圖23。cP幾廠圖22圖2-3當(dāng)CP后沿到來時(shí),CP=O,使T關(guān)斷。由于電流,不能突變,續(xù)流二極管D導(dǎo)通續(xù)流,電流,逐漸衰減,其等效電路如圖24所示。設(shè)是電機(jī)的等效電感,當(dāng)CP=I,T導(dǎo)通時(shí),電流,建立的過渡過程為:iP可p+(,pO-,pP“7(2-1ff;j額定相電流其中:,:-E-RVces1pf=三R為時(shí)間常數(shù),加為T導(dǎo)通時(shí)繞組初始電流,低頻時(shí),加*O圖2-4CP:O,T關(guān)斷,J衰減等效

34、電路如圖24所示,J的過渡過程為:(22Jp=,Pl e一疋其中I,1為T關(guān)斷瞬間繞組初始電流,低頻時(shí),。*,p由式(2一1和(22可知,由于E較小,J一定時(shí)R一-E-,Vces z魚1也較小,所以過渡過程時(shí)間常數(shù)f很大,因此,的建立和衰減速度都是很小的,因第11頁此電機(jī)高頻性能上不去。當(dāng)電機(jī)工作頻率為廠時(shí),T開關(guān)頻率為=÷/時(shí),_,建立和衰減時(shí)間為:O乒三上:三。旦:三j2凡2|1由式(2-1得一三l L=h0I一fe。由式(2-2得一三Dfo=Ie一三解出一。:乓,1+Pfr_=J了01+Pfr功率管T導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)繞組電流,。差值一三虬一。=ol+Psr,。的中間值k=圭(,pO

35、+Ipl=i1。隨著頻率,的升高,。升高,州下降,AI,下降,而,:不變,波形如圖25所示。lp波形隨,變化有下面幾個(gè)特點(diǎn):(1隨著,的升高,AI,下降,由于電機(jī)輸出扭矩跟,成比例的,所以第12麗隨/的升高,輸出轉(zhuǎn)矩下降,如圖2-6所示。i圖2-5(2隨著,的升高,加上升,-下降,而中間值,:不變,高頻時(shí),在T關(guān)斷期間不再衰減到零,繞組中總是流有電流的。(3隨著/的升高,雖然輸出扭矩M下降,但繞組電流的平均值I。幾乎不變,當(dāng)f足夠大時(shí)1J舢z,講z去,因此隨.廠的提高,效率下降。圖26單電壓驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單,缺點(diǎn)是限流電阻R功耗很大,電源效率低。例如對(duì)55BF009型小功率反應(yīng)式步進(jìn)電

36、機(jī),其額定相電流為3A,當(dāng)電源電壓為50V時(shí),電阻R消耗的功率近似為3X50=150/,當(dāng)電機(jī)同時(shí)鎖定兩相時(shí),限流電阻功耗高達(dá)300W。從上面的分析知道單電壓驅(qū)動(dòng)電源的效率很低,電機(jī)高頻性能不好,隨著頻率的升高,繞組電流不再衰減到零,高頻時(shí)雖然電機(jī)輸出扭矩下降,但繞組電流平均值幾乎不變,當(dāng)頻率足夠高時(shí),繞組平均電流為額定值的1/2,繞組電流值差為零,此時(shí)繞組流過直流,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為零。第13頁山東大學(xué)碩士學(xué)位論文高低壓供電驅(qū)動(dòng)方式是在單電壓供電的基礎(chǔ)上,為解決單電壓驅(qū)動(dòng)的快速性能不好而發(fā)展起來的一種供電技術(shù)。其基本思路是,在脈沖來到時(shí),在電機(jī)繞組的兩端先施加一較高電壓,從而使繞組的電流迅速建立

37、,使電流建立時(shí)間大為縮短,在相電流建立起來之后,改用低電壓,以維持相電流的大小,這樣做,可以減小甚至去掉限流電阻,使電源的驅(qū)動(dòng)效率大為提高。典型電路如圖27所示。繞組剛通電時(shí),T。、T。都導(dǎo)通,高壓電源V。與L形成回路,使電流上升速率較大,經(jīng)過時(shí)間T。后,T2截止,低壓電源V。與D。、R、L構(gòu)成回路,以保持一定的穩(wěn)態(tài)電流,繞組斷電時(shí),T。、T。同時(shí)截止,L與D2、v,、v。、D。、R構(gòu)成回路,即給繞組加了一個(gè)負(fù)壓V。一V。,提高了電流下降率。該電路去掉了主回路的串聯(lián)電阻,降低了功耗,提高了效率。t譴圖27圈28但這種雙電壓驅(qū)動(dòng)電源有如下缺點(diǎn):(1增加了一個(gè)高壓電源,而使電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本變高。

38、(2由于在脈沖加入時(shí)采用高電壓供電,故對(duì)功放管的特性要求較高。(3在帶負(fù)載的情況下,低頻運(yùn)行特性不理想,難以通過驅(qū)動(dòng)電路補(bǔ)償由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電勢(shì)造成的電流下凹問題。雖然高低壓驅(qū)動(dòng)電源具有如上的缺點(diǎn),但由于它極大地提高于步進(jìn)電機(jī)的第14頁山東大學(xué)碩士學(xué)位論文快速性,大大改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能,所以這種驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前在我國的應(yīng)用仍較普遍。由于雙電壓驅(qū)動(dòng)電源電機(jī)繞組的電流波形較差,影響了電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行,所以以此為出發(fā)點(diǎn),發(fā)展了恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù),恒流式驅(qū)動(dòng)電源有多種形式,如反饋控制式恒流驅(qū)動(dòng)、恒流斬波驅(qū)動(dòng)、定頻脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)技術(shù)及斬波型平滑驅(qū)動(dòng)等等,它們各有特點(diǎn),反饋控制式恒流驅(qū)動(dòng)由于其功放管的導(dǎo)

39、通與斷開都不能較迅速完成,工作在放大狀態(tài)下的時(shí)間較長,故功耗大、發(fā)熱多,其性能較差;圖29為一種恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路的原理圖,為單極型驅(qū)動(dòng)方式,它充分利用了現(xiàn)有的電源電壓,能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)工作,由于不需外接限流電阻,故使能耗大為降低,效率較高。但普通的恒流斬波驅(qū)動(dòng)技術(shù)由于功放管工作在開關(guān)狀態(tài),在高頻時(shí)雙極晶體管的功率開關(guān)損耗劇增,降低了電機(jī)的高頻特性,且斬波頻率一般設(shè)定在12KHz,電磁噪聲大,同時(shí)會(huì)對(duì)鄰近的設(shè)備造成下擾及在電機(jī)里產(chǎn)生附加鐵損。有關(guān)恒流斬波各部分的波形見圖2-10。恒流斬波驅(qū)動(dòng)技術(shù)雖然有許多缺點(diǎn),如低速運(yùn)行時(shí)由于繞組電流沖擊大,使低頻產(chǎn)生振蕩,運(yùn)行不平穩(wěn),噪聲大定位精度沒有提

40、高等,但由于它極大地改善了電流波形,采用能量反饋,提高了電源效率,改善了矩圖2-9頻特性,故目前國內(nèi)外各驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品均采用斬波方式。第15頁圖2一10小結(jié)綜上所述,在步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生后的幾十年里,隨著控制技術(shù)及電子電路技術(shù)的提高,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源有了長足的進(jìn)展,從單電壓驅(qū)動(dòng)到恒流斬波驅(qū)動(dòng),這些電源與當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件等密切相關(guān),他們各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。早期的晶體管單電壓驅(qū)動(dòng)方式現(xiàn)已基本淘汰,取而代之的是以恒流斬波技術(shù)為基礎(chǔ)的高性能驅(qū)動(dòng)方式,這種方式極大地改善了驅(qū)動(dòng)電流波形,減少了電源功耗?？梢灶A(yù)見,在日益注重節(jié)能和環(huán)保的今天,恒流斬波技術(shù)必將有著廣泛的發(fā)展空間。第16頁3.元器件簡介步進(jìn)電機(jī)

41、驅(qū)動(dòng)電源是由各種類型的元器件組裝而成的,隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,一些新型元器件層出不窮。器件的進(jìn)步往往能簡化電路的設(shè)計(jì),并顯著縮小設(shè)備的體積,提高性能價(jià)格比。本章主要介紹一下新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所用到的主要元器件的功能及參數(shù)。3.1功率器件研究驅(qū)動(dòng)級(jí)線路,應(yīng)該既要保證繞組有足夠的電壓電流及正確的波形,同時(shí)又要保證驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器件的安全運(yùn)行。另外,還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的成本。這就必須要設(shè)計(jì)合理的線路,選用合適的功率器件。驅(qū)動(dòng)級(jí)的功率放大器件有中功率晶體管、大功率晶體管、大功率達(dá)林頓晶體管、可控硅、可關(guān)斷可控硅、場效應(yīng)功率管、雙極型晶體管與場效應(yīng)管的復(fù)合管以及各種功率模塊“。對(duì)小功

42、率小機(jī)座號(hào)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),均可用中小功率晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng),晶體管具有推動(dòng)功率小、放大倍數(shù)大、線路簡單等優(yōu)點(diǎn),用于驅(qū)動(dòng)小機(jī)座號(hào)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(繞組電流在數(shù)百毫安足以勝任。對(duì)較大機(jī)座號(hào)的功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī),由于繞組所需的電流較大、電壓高、反電勢(shì)也大,所以都必須用大功率晶體管驅(qū)動(dòng),高反壓大功率晶體管是常用的器件。它的主要缺點(diǎn)是處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)放大倍數(shù)較小,一般只有幾倍、十幾倍,因此晶體管的基極也必須提供較大的推動(dòng)電流,這樣就使推動(dòng)級(jí)的功率增加,整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的效率下降,成本增加,同時(shí)也給線路的裝配、散熱帶來困難。這里首先對(duì)一些在驅(qū)動(dòng)電源中常用的功率半導(dǎo)體元器件及其特性進(jìn)行簡單描述。由于現(xiàn)有元器件型號(hào)涉及到各廠家、各

43、公司,系列也沒有歸一化,我第17頁國現(xiàn)行的是部頒標(biāo)準(zhǔn),因此這里只根據(jù)資料來源和實(shí)驗(yàn)電路中所用的型號(hào)做簡單介紹。二極管最基本的特性就是單向?qū)щ娦?。根?jù)這個(gè)特性,二極管在驅(qū)動(dòng)電源中主要用來整流,也用作限幅、鉗位、吸收等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源對(duì)二極管提出了比較特殊的要求,即降低正向壓降和大幅度地減小時(shí)間效應(yīng)。二極管典型伏安特性曲線如圖3一l所示。普通二極管有較大的正向壓降。例如對(duì)于25A整流管,實(shí)測正向壓降在0.91.5v,對(duì):、廠”于橋式整流還要加倍,這是整流電路內(nèi)阻的主要來源之一。在驅(qū)動(dòng)電源中,整流器正向壓降和內(nèi)阻是影響驅(qū)動(dòng)電源的整體效率的一個(gè)因素。一般情況下,因?yàn)殡娫措妷哼h(yuǎn)遠(yuǎn)高于正向壓降,所以可以

44、忽略正向壓降的影響,但對(duì)于高低壓驅(qū)動(dòng)方式中的低壓保持狀態(tài),正向壓降的影響則不能忽略。在低壓、大電流的工作環(huán)境下,我們總是希望二極管的正向壓降越小越好。二極管的時(shí)間效應(yīng)要用二極管的“恢復(fù)時(shí)間”這一參量來表示。在斬波方式工作的驅(qū)動(dòng)電源中,對(duì)于吸收回路中的二極管,它的工作頻率較高,等于斬波頻率,而且隨著開關(guān)管性能的不斷提高,斬波頻率有愈來愈高的趨勢(shì)?！盎謴?fù)時(shí)間”表征在高頻下還能正常地起二極管的作用。這個(gè)參數(shù)對(duì)斬波驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)起重要作用“。二極管兩端電壓從零躍升到穩(wěn)定的峰值,二極管的電流不能在瞬間從零躍升到穩(wěn)定的峰值,而是逐漸上升,經(jīng)過一段時(shí)間,逐漸上升到峰值,從電壓躍升到電流升到穩(wěn)定的峰值間這一段

45、時(shí)間,稱為“正向恢復(fù)時(shí)間”。反之,二極第18頁管兩端電壓從一個(gè)穩(wěn)定值躍降到零,也要經(jīng)過一段時(shí)間,電流才逐漸下降為零,從電壓躍降到電流降到零這一段時(shí)問,稱為“反向恢復(fù)時(shí)間”。需要指出:第,外電壓的躍變假定不需要時(shí)間,是瞬變;第二,電壓為零,看作外電源短路,而不是開路。一般地說,正向開通時(shí)間極短,在大多數(shù)場合下可忽略不計(jì),而反向恢復(fù)時(shí)間則不能忽略,并且這項(xiàng)參數(shù)還至關(guān)重要,說恢復(fù)時(shí)間也多指反向恢復(fù)時(shí)間,因?yàn)槿绻娏髟摻刂苟荒芙刂?甚至延續(xù)到下一個(gè)導(dǎo)通周期,整個(gè)電路的工作狀態(tài)就全亂了。a.超快軟恢復(fù)二極管b.肖特基極管c.普通快恢復(fù)二極管圖32三種功率開關(guān)-極管電流反向恢復(fù)波形比較綜合考慮以上各種因

46、素,本驅(qū)動(dòng)器采用Philips公司生產(chǎn)的BYV32、BYV42第19頁山東大學(xué)碩士學(xué)位論文共陰軟恢復(fù)二極管,它的基本電參數(shù)見表3.1。表3.1正向電流導(dǎo)通壓降反向耐壓恢復(fù)時(shí)間器件名稱封裝形式(A(V(V(nSBYV32E 160.520035TO一220BYV42E 250.520035TO一220晶體三極管,除特別指明者外,一般通指雙極型晶體三極管。三極管的基本功能之一是電流放大,也就是說當(dāng)基極電流有變化時(shí),將會(huì)引起集電極電流變化;兩個(gè)電流變化之比為三極管的動(dòng)態(tài)放大倍數(shù),其工作狀態(tài)如圖33所示。集電極電流經(jīng)電阻取樣,就成為電壓放大值?！?。在現(xiàn)代應(yīng)用中,三極管的放大應(yīng)用愈來愈多地被運(yùn)放集成電路

47、所取代,只在少數(shù)有特殊要求的分立元件電路中或低成本的簡單電路中還有所使用。三極管還有一個(gè)重要作用,就是信號(hào)電平的轉(zhuǎn)移和信號(hào)電流電壓間的轉(zhuǎn)換,PNP和NPN管的搭配使用可得電流源到上述效果。在電子線路中,PNP管和NPN管相配置可圖3-3以使電路簡化。例如,一個(gè)簡單的三級(jí)直接耦合放大電路,如果全用NPN管,各級(jí)輸出的直流電位工作點(diǎn)將會(huì)步步升高,若用輔助電源和分壓,就使電路復(fù)雜化,而且降低電壓增益;如不用輔助電源和分壓器,電路很難正常地工作。但若用NPN管和PNP管交替使用,電路結(jié)構(gòu)便簡單方便。線性電路多是直接耦合的電路,尤其要注意三極管的這一特點(diǎn)。在線性集成電路中,這一特點(diǎn)已在第20頁,f J

48、.1_澆II 一電Llh一極一T 一一豈廣泛地被運(yùn)用了。這里說轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換作用,在工作過程中并不排除三極管的放大作用,但在電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中的主要目的不是用來放大信號(hào),在這種應(yīng)用中,常用小功率管,與電壓放大電路中對(duì)三極管的要求沒有明顯差別。在線性電路或開關(guān)電路中,三極管最重要的用途是作為放大管和開關(guān)管。放大作用與開關(guān)作用并不矛盾。只是作為開關(guān)作用時(shí),在驅(qū)動(dòng)電源的電路中占有特定的地位,在方框圖中是獨(dú)立的方框,而且對(duì)作為開關(guān)管的三極管的性能參數(shù)也有特定的要求。功率開關(guān)電管大多使用功率較大的三極管。選用開關(guān)管時(shí),首先要注意三個(gè)極限參數(shù)。第一,最大允許管耗P。,指全部功耗,P。的主要成分是集電極功率耗散,

49、國內(nèi)資料中多給出最大允許集電極功率耗散P。;第二,最大允許管壓降BV。簡稱耐壓,意為基極開路狀態(tài)下集電極對(duì)發(fā)射極的反向耐壓,基極不開路狀態(tài)下耐壓要更高一些;第三,最大允許集電極電流I。三個(gè)極限參數(shù)都在手冊(cè)中給出。三項(xiàng)即使有一項(xiàng)達(dá)到手冊(cè)給定值也是不允許的。在電路設(shè)計(jì)中,手冊(cè)上的極限值不能直接使用,必須乘上一個(gè)遠(yuǎn)小于1的系數(shù)。例如,國外手冊(cè)上三極管BUS51最大允許管耗350W。但得到這個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)包含了實(shí)用中無法達(dá)到的定殼溫實(shí)驗(yàn)條件,例如水冷無窮散熱;同時(shí),這個(gè)實(shí)驗(yàn)也不保證無故障工作時(shí)間。國內(nèi)多按一定散熱面積和環(huán)境溫度來規(guī)定允許管耗,這較實(shí)用。關(guān)于最大允許管耗,根據(jù)我國電子元件專業(yè)質(zhì)量協(xié)會(huì)編寫的

50、電子元器件可靠性實(shí)用指南中規(guī)定,三極管在工作中的管耗為0.6 6w的中功率管應(yīng)小于手冊(cè)給定值的30%,6W以上的大功率管應(yīng)小于手冊(cè)給定值的50%。但這個(gè)系數(shù)可能并不保險(xiǎn),如果根據(jù)允許結(jié)溫和散熱條件(實(shí)用的來換算允許管耗,可能比上述手冊(cè)給定值的50%還要小。關(guān)于最大集電極電流,各家說法不一,這里我們參考國外公司某標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于工作于線性回路的晶體管集電極電流,如果不超過手冊(cè)給定的最大允許值的20%,這個(gè)設(shè)計(jì)是完全可接受的;如在20%40%之間,則要仔細(xì)進(jìn)行方案第21頁分析、論證,若超過40%以上,原則上認(rèn)為設(shè)計(jì)不合理;而對(duì)工作于開關(guān)狀態(tài)的三極管可適當(dāng)放寬要求,有的用到手冊(cè)給定值的60%,甚至更高些。

51、我們對(duì)一些正品大功率管進(jìn)行實(shí)測,當(dāng)測到集電極電流大到手冊(cè)給定允許值的70%以上時(shí),h,。多已大大降低,功率管幾乎就沒有實(shí)用價(jià)值了。關(guān)于耐壓BV一般說來,用到手冊(cè)記載的最大允許值的50%認(rèn)為是安全的。有時(shí)甚至可用到70%以上?？紤]三極管在工作中承受的耐壓時(shí),必須核對(duì)電路的各工作狀態(tài),特別是在開關(guān)電路中,應(yīng)將集電極電壓波形中的“旗桿”狀窄脈沖尖峰的實(shí)測峰值考慮進(jìn)去。晶體管的過電壓擊穿和過電流、超功率損壞機(jī)理不同。如果說,工作中電流和功率任何時(shí)候不要超過設(shè)計(jì)值,超過則可能損壞晶體管,這種損壞還需要一定時(shí)間的熱積累,那么,過電壓損壞晶體管是場致?lián)舸?不需時(shí)間積累,不論時(shí)間多么短瞬的過電壓擊穿,都能導(dǎo)致

52、晶體管的損壞,并且這種損圖3-4害是永久性的,不可恢復(fù)的。三極管的集電極電壓超過耐壓時(shí),最容易產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)。所謂負(fù)阻效應(yīng),就是三極管的Ic_一u。曲線中,隨著集電極電流的增加,管壓降驟然降低,如圖34。在開關(guān)電路中,這是損壞晶體管最直接的重要原因,半導(dǎo)體機(jī)理中稱之為二次擊穿”。在開關(guān)電路中,我們還特別關(guān)注晶體管的開關(guān)特性,也就是與時(shí)間有關(guān)的晶體管參數(shù)。以NPN管為例,假設(shè)在基極注入的驅(qū)動(dòng)電流波形是方波i。,產(chǎn)生的集電極電流i。的波形在上升時(shí)(通和下降時(shí)(斷都將有一時(shí)間滯后,波形也有變化。由于前后沿細(xì)節(jié)的分析涉及半導(dǎo)體內(nèi)部機(jī)理,過渡過程又離不開外電路,對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用而言,精確定量分析它們的過渡

53、過程是沒有必要的。為了定性說明兩電流間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系,我們做以下的假設(shè):第一,忽略I。的前后沿時(shí)間;第二,不考慮i。前后沿的變化細(xì)節(jié),理想化為梯形波。為清第22頁楚起見,考慮了前后沿的傾斜;第三,i。前后沿的時(shí)間按斜線部分的起止點(diǎn)計(jì),不考慮脈沖技術(shù)中按10%到90%幅值計(jì)的嚴(yán)格定義。簡化之后的三極管的時(shí)間特性圖見圖35。參照?qǐng)D35的波形,i。前沿較i。延遲了。從i。前沿到i。上升到頂?shù)膖。,稱為三極管的上升時(shí)間,一般說來,t,不太大。I。后沿延遲了t。+t。,其中t。是從i。的下降沿起到i。開始下降為止的時(shí)間,稱為儲(chǔ)存時(shí)間,t,是從i。開始下降到底的時(shí)間,稱為下降時(shí)間。在電路設(shè)計(jì)應(yīng)J用中,t。

54、和t,對(duì)開關(guān)管的功耗很重要。理想的I|,、“1十一U 開關(guān)工作只有“通”和“斷”兩種狀態(tài)?！巴ā?i態(tài)管壓降只有三極管飽和壓降u。并很小;“斷”態(tài)集電極電流只有漏電流,數(shù)值也甚小;所以管壓降和電流的乘積即總管耗很小,從而形成斬波驅(qū)動(dòng)低功耗、高效率的特點(diǎn)。但在t。一仨耷。h ttf圖3-5和t,期間,既有電流又有電壓,形成管耗。而且t。和t。相對(duì)于開關(guān)周期越長(所占比例越大,每周期功耗積累越大,平均功耗也越大。正是由于這個(gè)原因,也限制了開關(guān)周期的減小,即限制了開關(guān)頻率的提高“。由于本驅(qū)動(dòng)器控制部分需要多組電源電壓,因此決定采用開關(guān)電源穩(wěn)壓供電,開關(guān)功率管選用BU2515AX,該管的典型參數(shù)如下:

55、反向耐BV。o=1500V,最大集電極電流I。=10A,最大功耗P。=IOOW”。(1結(jié)構(gòu)在電力變換和控制裝置中廣泛使用的是雙極型晶體管或晶閘管,這些雙極型的功率器件在高壓、大電流方面顯示出很大優(yōu)點(diǎn),然而在高速化與低功率驅(qū)動(dòng)化方面還不行。近年來,隨著功率MOSFET制造工藝的進(jìn)步和技術(shù)性能的不第23頁斷提高,大功率VMOS管得到了廣泛地應(yīng)用,特別是近期采用了超大規(guī)模集成電路的微細(xì)加工工藝和芯片的優(yōu)化設(shè)計(jì),大容量的功率模塊也已產(chǎn)品化、系列化。由于MOSFET管是單極型器件,因此本質(zhì)上具有很高的開關(guān)頻率和極低的功率驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)。本新型驅(qū)動(dòng)器的功率輸出管采用的就是美國國際整流公司的IRF640N”“。

56、其結(jié)構(gòu)的斷面如圖36所示,等效電路如圖37所示。G。+6.、霸圖3-6圖37從結(jié)構(gòu)的斷面可看出,溝道是通過p與n的雙重雜質(zhì)擴(kuò)散而形成的,故稱DMOS。此外,從它的工作原理來看,電流是垂贏走向的,所以這種功率MOSFET 又稱作VDMOS(V表示垂直,而D表示雙重?cái)U(kuò)散。VMOS管有源(s、柵(G和漏(D三個(gè)電極。當(dāng)在它的柵極上加正電壓時(shí),處于柵極下面的硅材料表面感應(yīng)出負(fù)電荷,形成n型的反形層,一般稱它為溝道。漏極上加正電壓時(shí),漏電流沿垂直方向通過n+n一層,繼續(xù)經(jīng)過溝道向源極流去。采用VDMOS結(jié)構(gòu)可以制成高耐壓、大電流和通態(tài)電阻小的功率器件。功率MOSFET的外形與雙極型晶體管的封裝外形一樣,

57、也采用TO一92、TO220、TO3P等的樹脂封裝和TO一3金屬外殼密封等。另外,與雙極型晶體管模塊一樣,將多個(gè)功率MOSFET芯片按特定連線安排在絕緣基片上,然后放入樹脂外殼內(nèi)構(gòu)成模塊。IRF640圖38第24麗山東大學(xué)碩士學(xué)位論文采用TO220封裝,外形如圖38所示。(2特點(diǎn)常規(guī)的雙極型晶體管,從本質(zhì)上講是一種電流型驅(qū)動(dòng)器件,通過向基極層區(qū)注入少數(shù)載流子進(jìn)行調(diào)制而改變集電極電流。與此不同,MOSFET是一種電壓控制的功率器件,屬于場控形式。只要在源一柵極之間加上一定的電壓,就能產(chǎn)生流過漏極的電流,如圖39所示。柵極由一層很薄的氧化硅膜實(shí)現(xiàn)同源極的電隔離,當(dāng)柵極上加一定的直流電壓時(shí),不會(huì)產(chǎn)生柵極電流,輸入阻抗很高。由于柵一源極間加上了電壓,MOSFET內(nèi)部就建起了漏一源極間進(jìn)行電阻調(diào)制的電場,并當(dāng)漏極上加電壓時(shí),就會(huì)出現(xiàn)漏極電流。因此,MOSFET稱為多子器件,不存在少子存儲(chǔ)現(xiàn)象,它的開關(guān)速度很高,非常適于在高頻