可动态调节的步进电机驱动器制造技术

一种可动态调节的步进电机驱动器。该实用新型专利技术是以高频脉宽调制供电的控流型反应式步进电机驱动器。它可以根据电机的不同运行状态对驱动电流进行无级或数控调节；具有很低的功率损耗、体积小、重量轻；能使用单电源宽电压范围供电；具备短路保护和自恢复功能；同一驱动器对于多种规格电机具有良好的向下兼容性。该驱动器在多方面弥补了现有技术的不足，有广泛的推广价值。（*该技术在1998年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术是一种高频脉宽调制供电的控流型反应式步进电机驱动器。众所周知，步进电机转动力矩的大小直接与流经相绕组的电流有关，电机在不同运行条件下，如起动和静止、加速和减速、轻载和重载运行时对于该电流的控制都存在确定的最佳选择。现有技术中采用的诸如高低压供电的电流补偿型步进电机驱动电路(见清华大学编辑出出版的《电机控制》一书331～337页)；利用电感磁饱和特性的限流驱动电路(见中国专利CN86202716)；采用平滑控制器的自激斩波式恒流驱动电路(见中国专利CN86202585)等都无法满足上述要求，并且现有技术还分别存在着电路自身损耗较大，对供电要求高，稳态电流波动大，兼容性差等缺点。本技术是为克服现有技术中的不足而设计的一种用高频脉宽调制供电并且具有驱动电流动态调节特性的低损耗步进电机驱动器。本技术的原理是在电机绕组驱动回路中仅设置一小的电流取样电阻R，绕组电流的取样信号与预先设定的电压基准V0进行比较放大(1)后，作用于高频脉宽调制器(2)，并对串接在驱动回路开关器件(3)的导通时间进行控制，从而限定对回路的能量供给。由于电机相绕组电感L的贮能特性以及并联二极管(4)的续流作用，使施加在电感两端的高频脉冲电压能量转化为稳定的电流形式流经自身，从而为电机提供平稳的转动力矩。绕组驱动电流I取决于限流电阻R和比较放大器输入端的电压设定值V0，并满足关系I＝V0／R，改变V0即可对相电流进行无级调节，通过数模转换器可实现对V0的数字量控制。利用同一电流取样信号，通过另一电压比较器(5)与限流保护点对应的电压V1进行比较，当电流超出时立即关断开关器件，达到短路和过流保护目的(见附图说明图1)。本技术与现有技术相比具有如下优点1.由于比较放大器具有很高的电压增益，故取样电阻R取值很小，又由于限定能量供给的开关器件始终工作在开关状态，从而使电路具有很低的功率损耗，散热结构得以简化，体积重量随之减小；同时，小的回路总内阻与大内阻相比，在相同电源电压条件下，绕组中电流的上升速率显著增大，改善了电机矩频特性。2.电机绕组驱动电流可以方便地通过改变电压设定值V0进行控制，这尤其适用于电机在不同运行状态下的动态调节。3.由于电机驱动回路电流的稳态值与电源电压无关，因此能够满足大的电源电压波动范围。4.同一驱动器在满足不同电机最大相电流及最大电流上升速率的条件下，可以配接多种规格电机，具有良好的向下兼容性。5.具有短路和过流保护以及自动恢复特性。附图的图面说明如下图1是本技术的原理示意图。图中(1)是反馈信号比较放大器，(2)是高频脉宽调制器，(3)是驱动回路开关器件，(4)是续流二极管，(5)是保护信号比较器，图中符号R是相电流取样电阻，V0是对应绕组电流而设定的电压值，L是相绕组电感，V1是对应保护点电流设定的电压值，E是回路供电电压。图2是本技术对于最大相电流在8A以下的某类步进电机而设计的典型单相实用电原理图。下面将结合本实施例做进一步说明该实例使用了一片美国莫托罗拉公司生产的集成器件“MC34060”该芯片内部除脉宽调制器外还包含有两只误差放大器，可以分别用来做反馈比较放大器(1)和保护信号比较器(5)；具有稳定输出的＋5V基准电压源可分压得到保护点电压V1；占空比死区控制引脚可用来接受相脉冲控制信号，做为决定脉宽调制器是否工作的选通输入；同时该芯片有200mA的输出驱动能力，能直接推动大功率开关器件(3)工作。集成芯片的运用使控制电路的结构大为简化。脉宽调制器的工作频率由外接电阻和电容R0、C0决定，频率选择通常要大于电机相绕组最高拍脉冲频率的10倍，并要考虑相绕组电感量的最小值，本实例选择40，000HZ，适用于大于1mH的电机相绕组电感量。电流取样电阻R的选取应在满足比较放大器(1)输入端电压分辨率的条件下尽可能小，以减少电阻上的功率损失，本实例取0.1Ω。取样信号在进入比较放大器前，首先经过阻容滤波网络(R1，C1)，作用是消除尖峰干扰和使反馈信号稍有滞后，在相绕组电流上升时产生小的电流过冲，有利于提高电机矩频特性。当绕组电流因某种原因超过限定的最大电流时，取样信号通过一充放电网络(R2，C2，D，R3)施加在保护信号比较器(5)的同相端，并超出反端保护点电压V1，充放电网络快速向电容C2充电，从而迅速关闭开关器件达到限流目的，此后利用二极管D的反向作用通过R3缓慢放电，这样脉宽调制器将以很小的占空比继续工作，直至过流原因解除后自动恢复正常。保护点设定电压V1应满足关系V1＝Imax／R－VD，式中Imax是保护点电流值，VD是二极管D的正向压降。图2中由权电阻分压网络构成的4位2进制数模转换电路(6)，可以将驱动器最大工作电流等分为16级，并由步进电机的控制系统进行数控，当开关K拨至模拟控制端时可实行无级调节，使电机在不同运行条件下的能量供给接近理想状态。驱动回路电源电压E的选取可参照电感回路电源初接通时的电流上升规律公式E＝I·r(l－e－r·t／L)－l，式中r是回路总内阻，t是电源接通起的时间，并使E的取值在上述计算值的1～3倍之间选取，有利于提高电机矩频特性，并适应宽的应用范围。权利要求1.一种用高频脉宽调制供电并具有驱动电流动态调节特性的低损耗步进电机驱动器，其特征在于，电机绕组电流回路中串有取样电阻R，取样信号经设定值比较放大器(1)后，作用于高频脉宽调制器(2)，对回路开关器件(3)的导通时间进行控制，从而以高频脉宽调制形式将能量供给利用绕组自身电感特性做为贮能元件的L，同时用二极管(4)来保持开关器件(3)关断时的延续电流，并通过取样电阻R上微小电压变化实现对电流的反馈控制。2.根据权利要求1中的步进电机驱动器，其特征在于绕组驱动电流的无级调节是通过比较放大器(1)输入端的电压设定值V0实现，并能利用数模转换器(6)进行数控。3.根据权利要求1、2中的步进电机驱动器，其特征在于，利用同一取样电阻R上的电流取样信号，通过保护电压比较器(5)实现驱动回路的短路和过流保护。专利摘要一种可动态调节的步进电机驱动器。该技术是以高频脉宽调制供电的控流型反应式步进电机驱动器。它可以根据电机的不同运行状态对驱动电流进行无级或数控调节；具有很低的功率损耗、体积小、重量轻；能使用单电源宽电压范围供电；具备短路保护和自恢复功能；同一驱动器对于多种规格电机具有良好的向下兼容性。该驱动器在多方面弥补了现有技术的不足，有广泛的推广价值。文档编号H02P8/00GK2041868SQ8821653公开日1989年7月26日 申请日期1988年12月28日 优先权日1988年12月28日专利技术者李幼夫, 林霞 申请人:李幼夫, 林霞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用高频脉宽调制供电并具有驱动电流动态调节特性的低损耗步进电机驱动器，其特征在于，电机绕组电流回路中串有取样电阻Ｒ，取样信号经设定值比较放大器（１）后，作用于高频脉宽调制器（２），对回路开关器件（３）的导通时间进行控制，从而以高频脉宽调制形式将能量供给利用绕组自身电感特性做为贮能元件的Ｌ，同时用二极管（４）来保持开关器件（３）关断时的延续电流，并通过取样电阻Ｒ上微小电压变化实现对电流的反馈控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李幼夫，林霞，
申请(专利权)人：李幼夫，林霞，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]