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电机驱动器

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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、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后,功耗加大,整个功率驱动电路的效率较低,仅适合于驱动小功率步进电机。
212 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3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分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率,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间不变,在低频时,绕组获得了过多的能量,容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题,然而其控制电路较单电压复杂,可靠性降低,一旦高压管失控,将会因电流太大损坏电机。
22 恒电流斩波驱动方式:刻字机步进电机驱动器、喷绘机步进电机驱动器
221 自激式恒电流斩波驱动线切割步进电机驱动器、写真机步进电机驱动器
    图4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的。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,容易产生振荡,可靠性大大降低。

222 它激式恒电流斩波驱动包装机步进电机驱动器、印刷机步进电机驱动器
    为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题,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问题,但仍然存在一些问题。比如:当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时,该控制信号将丢失,一般可通过加大D触发器时钟频率解决。
23 细分驱动方式:步进电机细分、步进电机电路、步进电机控制卡、步进电机及驱动器
    这是本文讨论的重点,也是该系统采用的驱动方法。细分驱动最主要的优点是步距角变小,分辨率提高,且提高了电机的定位精度、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飞跃。
    细分驱动是指在每次脉冲切换时,不是将绕组的全部电流通入或切除,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阶梯波,额定电流是台阶式的投入或切除。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5所示。

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一般的细分方法只改变某一相的电流,另一相电流保持不变。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,在硬件上容易实现;但由图6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,输出力矩也跟着不断变化,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,使得细分实际上失去了意义。
    这就是目前常用的细分方法的缺陷,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问题。如图7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。

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    单片机根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配,确定各相通电顺序,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通信,得到设定的电流值(实际上是电流对应的电压值)。
    AD5623输出的值为期望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的比较结果确定各功率管的开关。
   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{zg}可承受400 V电压和10 A电流,开关转换时间不会超过51 ns,管子导通电压Vgs的取值范围为4~20 V。
32 细分关键技术方案
    “额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法的实质是恒流控制,关键是电流的精确控制,必须同时满足以下各个条件:

    ①D/A转换器输出的电流值必须与期望值相当接近,而且转换速度要快。该系统采用ADI公司的AD5623,12位精度,分成4 096个等级,满足了200细分的高精度要求;2路D/A输出满足两相的要求;SPI口通信,频率高达50 MHz,建立时间快,同时单电压供电,连接简单。
    ②检测到的电流必须能正确地反映此时的相电流。由于电机的相电流通常很大,电压很高,检测有一定的难度。常用的检测方法有外接标准小电阻,电路简单,但干扰比较大,准确性比较差;霍尔传感器检测准确,干扰小,连接也不复杂,所以该驱动器采用霍尔传感器。
    ③比较器分辨率要高,转换速度快。MAX907的建立时间只需12 ns,比较的电压只要相差2 mV即可检测出来({zd0}不超过4 mV),反应非常灵敏。
    ④控制功率管开关的逻辑电路要有很高的实时性,保证相电流在设定电流上下做很小的波动,以免引起浪涌,干扰控制电路。
    本文采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572。以D触发器为核心的控制电路全部由CPLD完成,CPLD代替了各种分立元器件,结构简单,连接方便。图9是控制电路的逻辑图。

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