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步進電機mos管驅動设计解析与电路图-步進電機原理 驱动方法-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-05-29 

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步進電機mos管驅動

步進電機

我们先了解步進電機的一些基本知识,再了解步進電機mos管驅動。步進電機是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。其将电脉冲信号转变为角位移或线位移,是现代数字程序控制系统中的主要执行元件,应用极为广泛。


步進電機mos管驅動


步進電機控制系统由步進電機控制器、步進電機驱动器、步進電機三部分组成,步進電機控制器是指挥中心,它发出信号脉冲给步進電機驱动器,而步進電機驱动器把接收到信号脉冲脉冲转化为电脉冲,驱动步進電機转动,控制器每发出一个信号脉冲,步進電機就旋转一个角度,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。控制器可以通过控制脉冲数量来控制步進電機的旋转角度,从而准确定位。通过控制脉冲频率精确控制步進電機的旋转速度。


步進電機的结构及工作原理

(一)結構

我们一般用的步進電機是这样的:


步進電機mos管驅動


結構圖一般是這樣的:


步進電機mos管驅動


那么这个AC,BD代表什么呢?步進電機又为什么具有以上的那些特点呢?这就要从步進電機的特殊结构说起。先上一个步進電機内部的结构示意图:


步進電機mos管驅動


先从这个简单的图分析原理,图中有两组绕组A A-,B B-,可以看出他们分别形成的磁场是相反的,位置也是相对的。这2组绕组对应真实图中的AC和BD。


定子为铁芯,A A-,B B-绕在铁芯上,通电之后产生磁场变成电磁铁,转子为永磁体,磁场将对转自产生吸引或者排斥。


左上图A A-吸引转子,使得转子竖直(此时只有A A-通电)当B B-也通电后,B B-也产生磁场,此时转自将像A B中间区域偏转,具体偏转角度跟A B上电流大小比例有关。


左下图此时A A-断电,B B-继续通电,则转子被吸引到水平位置。


右下图此时A A-反向通电,B B-继续通电,则转自顺时针旋转,重复以上过程,则转子可以进行旋转运动,并控制通电的时机以及顺序,便可以达到控制步進電機旋转角度。


定子鐵心:定子鐵心爲凸極結構,由矽鋼片叠壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。


步進電機mos管驅動


定子繞組:定子每極上套有一個集中繞組,相對兩極的繞組串聯構成一相。步進電動機可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。


步進電機mos管驅動


轉子:轉子上只有齒槽沒有繞組,系統工作要求不同,轉子齒數也不同。定轉子齒形相同。


(二)原理

当步進電機切换一次定子绕组的激磁电流时,转子就旋转一个固定角度即步距角。步距角一般由切换的相电流产生的旋转力矩得到,所以需要每相极数是偶数。步進電機通常都为两相以上的,当然也有一些特殊的只有一个线圈的单相步進電機。虽说单相,实为一个线圈产生的磁通方向交互反转而驱动转子转动。实用的步進電機的相数有单相、两相、三相、四相、五相。


现在使用的步進電機大部分用永磁转子。普遍使用永久磁铁的原因是效率高,分辨率高等优点。以下以介绍永磁转子为主。


步進電機mos管驅動设计分析

步進電機mos管驅動,H桥功率驱动电路可应用于步進電機、交流电机及直流电机等的驱动。永磁步進電機或混合式步進電機的励磁绕组都必须用双极性电源供电,也就是说绕组有时需正向电流,有时需反向电流,这样绕组电源需用H桥驱动。本文以两相混合式步進電機驱动器为例来设计H桥驱动电路。


步進電機mos管驅動-电路原理

步進電機mos管驅動,图1给出了H桥驱动电路与步進電機AB相绕组连接的电路框图。


步進電機mos管驅動


个开关K1和K4,K2和K3分别受控制信号a,b的控制,当控制信号使开关K1,K4合上,K2,K3断开时,电流在线圈中的流向如图1(a),当控制信号使开关K2,K3合上,K1,K4断开时,电流在线圈中的流向如图1(b)所示。4个二极管VD1,VD2,VD3,VD4为续流二极管,它们所起的作用是:以图1(a)为例,当K1,K4开关受控制由闭合转向断开时,由于此时线圈绕组AB上的电流不能突变,仍需按原电流方向流动(即A→B),此时由VD3,VD2来提供回路。因此,电流在K1,K4关断的瞬间由地→VD3→线圈绕组AB→VD2→电源+Vs形成续流回路。同理,在图1(b)中,当开关K2,K3关断的瞬间,由二极管VD4,VD1提供线圈绕组的续流,电流回路为地→VD4→线圈绕BA→VD1→电源+Vs。步進電機驱动器中,实现上述开关功能的元件在实际电路中常采用功率MOSFET管。


由步進電機H桥驱动电路原理可知,电流在绕组中流动是两个完全相反的方向。推动级的信号逻辑应使对角线晶体管不能同时导通,以免造成高低压管的直通。


另外,步進電機的绕组是感性负载,在通电时,随着电机运行频率的升高,而过渡的时间常不变,使得绕组电流还没来得及达到稳态值又被切断,平均电流变小,输出力矩下降,当驱动频率高到一定的时候将产生堵转或失步现象。因此,步進電機的驱动除了电机的设计尽量地减少绕组电感量外,还要对驱动电源采取措施,也就是提高导通相电流的前后沿陡度以提高电机运行的性能。


步進電機的缺陷是高频出力不足,低频振荡,步進電機的性能除电机自身固有的性能外,驱动器的驱动电源也直接影响电机的特性。要想改善步進電機的频率特性,就必须提高电源电压。


步進電機mos管驅動-电路设计

图2给出了步進電機mos管驅動器AB相线圈功率驱动部分原理图。


步進電機mos管驅動


在图2中,功率MOSFET管VT1,VT2,VT3,VT4和续流二极管 VD11,VD19,VD14,VD22相当于图1中的K1,K2,K3,K4和VD1,VD2,VD3,VD4。功率MOSFET管的控制信号是由TTL逻辑电平a,a,b,b来提供的,其中a与a,b与b在逻辑上互反。


驅動電流前後沿的改善

从步進電機的运行特性分析中知道,性能较高的驱动器都要求提供的电流前后沿要陡,以便改善电机的高频响应。本驱动器中由于功率MOSFET管栅极电容的存在,对该管的驱动电流实际表现为对栅极电容的充、放电。极间电容越大,在开关驱动中所需的驱动电流也越大,为使开关波形具有足够的上升和下降陡度,驱动电流要具有较大的数值。如果直接用集电极开路的器件如SN7407驱动功率MOSFET管,则电路在MOSFET管带感性负载时,上升时间过长,会造成动态损耗增大。为改进功率MOSFET管的快速开通时间,同时也减少在前级门电路上的功耗,采用图2虚线框内的左下臂驱动电路。


集電極開路器件U14是將TTL電平轉換成CMOS電平的緩沖/驅動器,當U14輸出低電平時,功率MOSFET管VT2的柵極電容通過1N4148被短路至地,這時U14吸收電流的能力受U14內部導通管所允許通過的電流限制。而當U14輸出爲高電平時,VT2管的柵極通過晶體管V3獲得電壓和電流,充電能力提高,因而開通速度加快。


保護功能

图2虚线框中,1N4744是栅源间的过压保护齐纳二极管,其稳压值为15 V。由于,功率MOSFET管栅源间的阻抗很高,故工作于开关状态下的漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当幅度的VCS脉冲电压。这一电压会引起栅源击穿造成管子的永久损坏,如果是正方向的VCS脉冲电压,虽然达不到损坏器件的程度,但会导致器件的误导通。为此,要适当降低栅极驱动电路的阻抗,在栅源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值小于20 V而又接近20V的齐纳二极管1N4744,防止栅源开路工作。


功率MOSFET管有內接的快恢複二極管。當不接VD11,VD12,VD13,VD14時,假定此時電機AB相繞組由VT1管(和VT4管)驅動,即VT2管(和VB)截止,VT1管(和VT4管)導通,電流經VT1管流過繞組。當下一個控制信號使VT1管關斷時,負載繞組的續流電流經VT2的內接快恢複二極管從地獲取。此時,VT2管的漏源電壓即是該快恢複二極管的通態壓降,爲一很小的負值。當VT1再次導通時,該快恢複二極管關斷,VT2的漏源電壓迅速上升,直至接近于正電源的電壓+VS,這意味著VT2漏源間要承受很高且邊沿很陡的上升電壓,該上升電壓反向加在VT2管內的快恢複二極管兩端,會使快恢複二極管出現恢複效應,即有一個很大的電流流過加有反向電壓的快恢複二極管。


爲了抑制VT2管內的快恢複二極管出現這種反向恢複效應,在圖2電路中接人了VD11,VD12,VD13,VD14。其中,反並聯快恢複二極管VD11,VD14的作用是爲電機AB相繞組提供續流通路,VD12,VD13是爲了使功率MOSFET管VT1,VT2內部的快恢複二極管不流過反向電流,以保證VT1,VT2在動態工作時能起正常的開關作用。VD19,VD20,VD21,VD22的作用亦是同樣的道理。


对图2电路的分析可知,信号a=1,b=1的情况是不允许存在的,否则将因同时导通从而使电源直接连到地造成功率管的损坏;另外,根据步進電機运行脉冲分配的要求,VT1,VT2,VT3,VT4经常处于交替工作状态,由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内,晶体管并没完全关断。若在此期间,另一个晶体管导通,则造成上、下两管直通而使电源短路,烧坏晶体管或其他元器件。为了避免这种情况,可采取另加逻辑延时电路,以使H桥电路上、下两管交替导通时可产生一个“死区时间”,先关后开,防止上、下两管直通现象。


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