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地磅遥控器步进电机驱动器的关键技术分析

文章出处:作者:人气: 发表时间:2019-1-15 10:32:47


地磅遥控器步进电机驱动器的关键技术分析

 

 


步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的履行机构。其首要优点是有较高的定位精度,无位置累积误差特有的开环运行机制,与闭环控制系统相比降低了系统本钱,进步了可靠性,在数控范畴得到了广泛的应用。但是,步进电机在低速运行时的振动、噪声大,地磅遥控器在步进电机的自然振荡频率四周运行时易产生共振,且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降。

这些错误谬误**了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器,改善驱动器的性能,可以明显地进步步进电机的性能,因此研制高性能的步进电机驱动器是一项遍及关注的课题。1、步进电机驱动控制系统概述 通常环境下,步进电机驱动系统由3部分构成: ①控制电路。数字地磅遥控器用于产生脉冲,控制电机的速度和转向。

②驱动电路。即本文的研究内容,由图1所示的脉冲信号分配和功率驱动电路构成。根据控制器输进的脉冲和方向信号,为步进电机各绕组提供精确的通电顺序,以及电机需要的高电压、大电流同时提供各种保护措施,比如过流、过热等。万能地磅遥控器③步进电机。控制信号经驱动器放大后驱动步进电机。

带动负载。图1 步进电机驱动控制系统基本框图 2、步进电机驱动方法的比较 2.1 恒电压驱动方式 2.1.1 单电压驱动 单电压驱动是指在电机绕组工作过程中,只用一个方向电压对绕组供电。如图2A所示,L为电机绕组,VCC为电源。电子地磅遥控器当输进信号In为高电平常平凡,提供足够大的基极电流使三极管T处于饱和状况。

若忽略其饱和压降,则电源电压全数感化在电机绕组上。当In为低电平常平凡,三极管截止,绕组无电畅通过。图2 恒电压驱动方式 为使通电时绕组电流迅速达到预设电流,串进电阻Rc为防止关断T时绕组电流变化率太大,万能地磅遥控器而产生很大的反电势将T击穿,在绕组的两端并联一个二极管D和电阻Rd,为绕组电流提供一个泄放回路,也称“续流回路”。单电压功率驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、本钱低、可靠性高。但是由于串进电阻后,功耗加大,全部功率驱动电路的效率较低,仅合适于驱动小功率步进电机。2.1.2 高低压驱动 为了使通电时绕组能迅速到达设定电流,关断时绕组电流迅速衰减为零,同时又具有较高的效率,出现了高低压驱动方式。如图2B所示。

Th、T1分别为高压管和低压管,Vh、V1分别为高低压电源,Ih、I1分别为高低真个脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来进步电流的前沿上升率,而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动可获得较好的高频特性,但是由于高压管的导通时候不变,在低频时,绕组获得了过多的能量,轻易引起振荡。可通过改变其高压管导通时候来解决低频振荡题目,但是其控制电路较单电压复杂,可靠性降低,一旦高压管掉控,将会因电流太大损坏电机。2.2 恒电流斩波驱动方式 2.2.1 自激式恒电流斩波驱动 图3为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压,与D/A转换器输出的预设值进行比较,控制功率管的开关,从而达到控制绕组相电流的目标。从理论上讲,自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的。

会使绕组激起很高的浪涌电压,因而对控制电路产生很大的干扰,轻易产生振荡,可靠性大大降低。图3 自激式恒电流斩波驱动框图 2.2.2 它激式恒电流斩波驱动 为体会决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压题目,可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡题目,但依然存在一些题目。比如:当比较器输出的导通脉冲恰好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时,该控制信号将丢掉,一般可通过加大D触发器时钟频率解决。2.3 细分驱动方式 这是本文讨论的重点,也是该系统采用的驱动方法。细分驱动最首要的优点是步距角变小,分辨率进步,且进步了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩其次,减弱或消除了步进电机的低频振动,降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个奔腾。细分驱动是指在每次脉冲切换时。

不是将绕组的全数电畅通进或切除,而是只改变相应绕组中电流的一部分,电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时,绕组电流不是一个方波而是门路波,额定电流是台阶式的投进或切除。比如:电流分成n个台阶,转子则需要n次才转过一个步距角,即n细分,如图4所示。图4 二相电机4细分电流门路波 图5 一般的细分方法只改变某一相的电流,另外一相电流保持不变。如图5所示,在O°~45°,Ia保持不变,Ib由O逐级变大在45°~90°,Ib保持不变,Ia由额定值逐级变为0。该方法的优点是控制较为简单,在硬件上轻易实现但由图5左所示的电流矢量合成图可知,所合成的矢量幅值是不断变化的,输出力矩也随着不断变化,从而引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时,滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角,使得细分现实上掉往了意义。

这就是今朝常用的细分方法的缺点,那么有没有一种方法让矢量角度变化时同时保持幅值不变呢?由上面分析可知,只改变单一相电流是不可能的,那么同时改变两相电流呢?即Ia、Ib以某一数学关系同时变化,保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。基于此,本文建立一种“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法,以消除力距不断变化引起滞后角的题目。如图5右所示,随着A、B两相相电流Ia、Ib的合成矢量角度不断变化,其幅值始终为圆的半径。下面先容合成矢量幅值保持不变的数学模型:当Ia=Im 等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样。额定电流可调是指可满足各种系列电机的要求。例如,86系列电机的额定电流为6~8 A,而57系列电机一般不超过6 A,驱动器有各种档位电流可供选择。细分为对额定电流的细分。为实现“额定电流可调的等角度恒力距”,理论上只要各相相电流可以或许满足以上的数学模型即可。

这就要求电流控制精度非常高,不然Ia、Ib所合成的矢量角将出现误差,即各步步距角不等,细分也掉往了意义。下面给出了基于该驱动方法的驱动器的设计方案。3、二相步进电机驱动器的整体设计方案 3.1 系统设计框图 如图6所示,控制板信号经过光耦隔离与单片机中断口相连。图6 步进电机驱动器系统设计框图 单片机根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配,肯定各相通电顺序,并与CPLD里面的D触发器相连同时根据用户设定的电流值和细分数通过SPI口与D/A转换器AD5623通讯,得到设定的电流值(现实上是电流对应的电压值。AD5623输出的值为期看的电流对应的电压值,它必须与从功率模块检测得到的电流对应的电压值进行比较,并把比较结果与CPLD里面的D触发器CLR引脚相连。CPLD与电流、细分设定的拨码开关相连,把得到的值通过SPI口传给单片机以D触发器为核心的控制逻辑。

根据单片机的各相通电顺序和比较器MAX907的比较结果肯定各功率管的开关。功率驱动模块直接与电机相连,驱动电机。采用8个MOS管IRF740构成2个H桥双极型驱动电路。IRF740最高可承受400 V电压和10 A电流,开关转换时候不会超过51 ns,管子导通电压Vgs的取值范围为4~20 V。