步进电机高性能驱动装置的研究
2024年步进电机驱动器市场前景分析
步进电机驱动器市场前景分析1. 引言步进电机驱动器是一种广泛应用于工业自动化和机械设备中的电子装置。
它们能够精确地控制步进电机的转速和位置，具有高度的可靠性和精确性。
随着工业自动化和机械设备的不断发展，步进电机驱动器市场面临着巨大的机遇和挑战。
本文将对步进电机驱动器市场的前景进行深入分析。
2. 市场规模和增长趋势步进电机驱动器市场规模庞大，并且持续增长。
根据市场研究报告，步进电机驱动器市场的年复合增长率预计将保持在5％以上。
这主要归因于以下几个因素：•工业自动化需求的增加：随着工业自动化的快速发展，步进电机驱动器作为控制系统的关键组成部分，需求持续增加。
•机械设备的广泛应用：步进电机驱动器广泛应用于机械设备中，如印刷机、数控机床、纺织机械等，随着这些行业的发展，市场需求增长迅速。
•技术创新的推动：步进电机驱动器技术不断创新，实现了更高的性能和可靠性，进一步推动了市场需求。
3. 市场竞争格局步进电机驱动器市场竞争激烈，主要的竞争企业包括：•施耐德电气：作为全球领先的电气设备供应商之一，施耐德电气在步进电机驱动器市场拥有一定市场份额，并且通过不断的技术创新和产品升级来保持竞争优势。
•欧姆龙：欧姆龙作为自动化领域的领导者，其步进电机驱动器产品在市场上具有广泛的应用，通过持续的研发投入和市场拓展来提高市场份额。
•日本电装：作为日本著名的工控设备制造商，日本电装在步进电机驱动器市场拥有一定的市场份额，并且通过创新的产品和服务来获得竞争优势。
4. 市场机遇和挑战步进电机驱动器市场面临着一些机遇和挑战：•新兴市场需求的增加：随着新兴市场的工业化进程加快，步进电机驱动器的市场需求将大幅增加，这为市场提供了巨大的机遇。
•技术和性能的提升：步进电机驱动器市场需要不断提升技术和性能，以满足高精度、高可靠性的应用需求，这是市场发展的关键挑战。
•价格压力的增加：市场竞争激烈，价格压力不断增大，步进电机驱动器企业需要降低成本，提高市场竞争力。
步进电机控制方案 dsp
步进电机控制方案 DSP简介步进电机是一种常用的电动机类型，适用于需要精确定位和高扭矩输出的应用场景。
与其他电机类型相比，步进电机具有较高的位置控制精度和较低的成本。
本文旨在介绍一种基于DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）的步进电机控制方案，以实现精确的步进电机控制。
DSP介绍DSP是一种专门用于数字信号处理的芯片或系统。
其优势在于能够高效地进行信号处理、算法运算和数据处理。
DSP芯片通常带有多个高性能的计算核心和丰富的外设接口，适用于各种实时应用。
在步进电机控制方案中，使用DSP作为控制器可以实现高精度的位置控制和快速响应。
步进电机控制原理步进电机是一种需要以离散的步进角度进行控制的电机。
其控制原理基于电机内部的定子和转子之间的磁场交互作用。
步进电机的转子通过电流驱动产生磁场，定子通过相序切换实现转子的转动。
控制步进电机的关键是准确控制相序的切换和电流的驱动。
基于DSP的步进电机控制方案可以通过以下步骤实现：1.位置规划：根据实际需求，确定步进电机需要旋转到的位置。
这可以通过输入命令、传感器反馈或计算算法等方式得到。
2.相序切换：根据位置规划，确定相序的切换顺序。
相序切换是通过控制电机驱动器中的逻辑电平来实现的。
DSP通过输出控制信号控制驱动器的相序切换，从而实现电机的转动。
3.电流驱动：根据步进电机的特性和要求，确定合适的电流驱动参数。
通过DSP输出的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号和驱动电路，实现对电机相线施加准确的电流驱动。
4.反馈控制：根据应用需求，添加合适的反馈控制机制来实现闭环控制。
常见的反馈控制方式包括位置反馈、速度反馈和力矩反馈等。
DSP步进电机控制方案的优势相比传统的微控制器或PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制方案，基于DSP的步进电机控制方案具有以下优势：•高性能：DSP芯片具有强大的计算能力和实时性能，可以实现复杂的控制算法和快速响应。
利用DSP实现的步进电机控制器的设计
利用DSP实现的步进电机控制器的设计数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。
数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。
在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。
德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。
TMS320LF2407是TI公司主推的一种高性能、低价格DSP处理器，其处理速度达到30 MIPS,片内处理集成RAM、Flash及定时器外，还集成了A/D转换器、PWM控制器及CAN总线控制器等模块，特别适合于电机、电源变换等实时要求高的控制系统。
但是通常设计DSP程序的方法是，在DSP的集成开发环境CCS中用C语言设计，需要花费大量的时间用来编写和输入程序代码。
在Matlab中用图形化的方式设计DSP的程序，能够缩短产品的开发时间。
本文所介绍的是一种基于TMS320LF2407实现的步进电机控制系统的设计。
1 系统硬件构成整个系统分为五个部分组成：DSP中央控制器TMS320LF2407,步进电机及驱动，光电编码器，键盘及液晶显示部分，以及整个系统的外围电源电路及看门狗复位电路组成，。
在这个系统设计中，由键盘设定给定转速(位置)，通过中央控制器TMS320LF2407来产生PWM脉冲信号来控制步进电机的转速(位置)，可以采用光电编码器对步进电机的转速(位置)进行采样检测实现闭环控制，也可以采用开环控制无需转速(位置)信号，以上过程中的多个变量、参数可以在液晶显示屏上得到直观地反映。
整个硬件结构简单直观，中央控制器TMS320LF2407还剩余丰富的I/O及中断资源，在此设计基础上具有一定的扩展空间。
OMEGA步进电机及驱动器
步进电机及驱动器信息参考来源：美国OMEGA工业测量步进电机是一种将数字量脉冲转换为机械轴旋转的无刷同步电动机。
步进电机的每一转均细分为若干个离散的步（许多情况下为200 步），执行每一步时都必须向电机发送单独的脉冲。
步进电机每次仅能执行一步，并且每一步的大小相同。
由于每个脉冲会使电机旋转一个精确的角度（通常为1.8°），因此无需反馈机制即可控制电机的位置。
随着数字量脉冲频率的增加，步进运动逐渐变为连续的旋转，其转速直接与脉冲频率成正比。
由于步进电机具有成本低、可靠性高、低速高转矩以及结构简单坚固等特点，因此适用于几乎所有环境，在工业和商业应用中得到广泛的使用。
\步进电机的优点1.电机的旋转角度与输入脉冲成正比。
2.电机在停转时达到满转矩（如果绕组已激磁）。
3.由于好的步进电机每步精度在3% 到5% 之间，并且每步的误差不会积累到下一步，因此有较好的位置精度和运动重复性。
4.具有极佳的起动/停止/反转响应。
5.由于电机中无接触电刷，可靠性极高。
因此，步进电机的使用寿命仅取决于轴承的寿命。
6.步进电机对数字量输入脉冲做出响应，因而可实现开环控制，从而使电机结构得到简化并降低了控制成本。
7.负载直接耦合到转轴时，可在极低速度下实现同步旋转。
8.由于转速正比于输入脉冲的频率，因此可实现较宽的转速范围。
步进电机的类型步进电机分三种基本类型：变磁阻式、永磁式和混合式。
本文主要讨论混合式电机，这种电机综合了变磁阻式电机和永磁式电机的最佳特性。
混合式电机由多齿定子磁极和永磁转子组成（请参见图A）。
标准混合式电机（如Omegamation TM提供的型号）有200 个转子齿，每步的旋转角度为1.8º。
这种电机在极高的步速下表现出较高的静态和动态转矩，因此广泛适用于各种商业应用，包括计算机磁盘驱动器、打印机/绘图仪以及CD 播放器。
步进电机还可用于一些工业和科学应用，包括机器人、机床、贴装机、自动切线接线机以及精准流体控制设备。
AKS230 高性能细分驱动器
混合式步进电机驱动，小体积，低震动AKS230高性能细分驱动器AKS230细分驱动器采用美国高性能专用微步距电脑控制芯片,细分数可根据用户需求专门设计,开放式微电脑可根据用户要求把控制功能设计到驱动器中,组成最小控制系统。
该控制器适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电机。
由于采用新型的双极性恒流斩波技术，使电机运行精度高,振动小,噪声低,运行平稳。
特点☆电源电压24～40VDC单电压供电☆斩波频率大于35KHZ☆输入信号与TTL兼容☆无CP脉冲电流自动减半☆最大驱动电流3A/相☆可驱动两相或四相混合式步进电机☆双极性恒流斩波方式☆光电隔离信号输入☆细分数可选AKS-230型：2、4、8、16、32、64（或根据用户要求设计。
）☆驱动电流可由开关设定☆外型尺寸：115mm×72mm×32mm☆重量：0.3Kg1、引脚说明☆VCC+，GND端为外接直流电源，直流电压范围为+20V～+45V。
20~40VDC.注：切忌超过40V，以免损坏模块☆A+，A-端为电机A相☆B+，B-端为电机B相☆CP+、CP-：步进脉冲输入端（上升沿有效，持续时间＞10μS）☆CW+、CW-：电机运转方向控制，通过控制该端子电平可改变电机运行方向☆REST+、REST-：急停复位3、电气特性（T=25℃）j☆输入电压+20V-+45V，典型值为+36V。
☆输出相电流0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7、3A。
☆信号逻辑输入电流10mA-25mA。
☆下降沿脉冲时间大于5us。
☆绝缘电阻大于500MΩ。
4、使用环境及参数☆冷却方式；自然冷却或强制风冷。
☆使用环境；尽量避免粉尘及腐蚀性气体。
☆温度；0°C-+50°C。
☆湿度；40-89%RH。
5、细分数和电流选择☆细分数由开关M1、M2、M3选择。
☆电流值由M5、M6、M7选择6、机械安装7、电源供给电源电压在DC15V──DC45V 之间都可以正常工作，本驱动器可采用稳压型直流电源供电，也可以采用变压器降压+桥式整流+电容滤波,电容可取大于2200μF。
基于DSP的二相混合式步进电机多细分驱动器的研究
基 于 Ｄ Ｐ的 二 相 混合 式 进 电ｊ 多 细 分 驱 动 器 的研 夯 Ｓ Ｉ ｉ 兀
浙 江 交通 职业技 术 学院 王亚嫔
［ 摘 要 】 文介绍 了一种基 于 Ｔ ３ ０ Ｆ ４ ７ ＤＳ 本 ＭＳ２ Ｌ ２ ０ Ａ Ｐ芯片的步进 电机 多细分驱动控制 器的设 计方案 ， 出了系统的硬 件构成和软 给 件设计方法。 实验证 明： 该方案能最３ ￣度地 利用步进 电机驱动芯片的开关频率 ， ｖＦ － 自动计算 出步进 电机在不 同转速下的细分微 步数 ， 通过步进电机 细分控制 ， 改善 电机 系统的运行特性和定位精度。 ［ 关键词 ］ ＭＳ ２ Ｌ ２ ０ Ａ Ｐ 多细分驱动控制 器 步进 电机 Ｔ ３ ０ Ｆ ４ ７ ＤＳ
图 ２ 功 率驱 动 电路 ２２ ．控制部分 电路的设计 ２２１电源 电路与电平转换 电路 ．． 由于系统 中同时存在数字 电路 和模拟 电路 ，为保证 Ｄ ＰＡＤ转换 Ｓ ／ 模块的精度并提高系统抗十扰能力 ，在线路设计 时采用 了数字地 与模 拟地分开的方式 。 ３ 图 所示为电源电路 。 中芯片 Ｔ Ｓ ３ ３ Ｔ 公 其 Ｐ ７ ３Ｑ Ｄ为 Ｉ 司专门为 Ｄ Ｐ驱动设计 的数字 电源 ，芯片 Ｉ １ １Ｃ Ｔ ３３是 Ｆ ｉ ｈｌ Ｓ Ｊ １７ Ｓ 一 ． Ｔ ａ ｃｉ ｒ ｄ ｓｍｉ ｎ ｕｔ 公司生产的可调低损耗线性 电源 ， ｅ ｃ ｄ ｃｏ ｏ ｒ 它输 出 ３３ 此处用作 ．Ｖ， Ｄ Ｐ的模 拟 电源 。 Ｓ
Ｏ 引 言 ．
针对 目前步进 电机 市场需求 量的增 大，以及对其 驱动器性能要求 Ｅ益提高 ， ｌ 现有步进 电机驱动器 已不能满足生产 和应用需要 的现状 ， 步 进 电机细分驱动技术的出现，为我们设计功能强大 的步进 电机驱动器 提供 了新的可能。 步进 电机在低频工作时 ， 会有振动大 、 噪声大的缺点 。 如果使用细分方式 ，就能很好 的解决这个 问题 。本文介绍 了一种基 于 Ｔ ３０ Ｆ ４ ７ Ｄ Ｐ芯片 的步进 电机 多细分驱动 控制器 的设 计方案 ， ＭＳ２ Ｌ ２ ０ Ａ Ｓ 该方案能最大限度地利用 步进 电机驱动 芯片 的开关频率 ， 自动计算 出 步进 电机在不同转 速下 的细分徽步数 ， 通过步进 电机细分控制 ， 改善 电 机系统的运行特性 和定位精度。 １Ｔ ３ Ｏ Ｆ ４ ７ 芯 片简 介 ．ＭＳ ２ Ｌ ２ ０ Ａ Ｔ ３ ０ Ｆ４ ７ — — 电 机 控 制 用 Ｄ Ｐ芯 片 采 用 哈 佛 结 构 、 总 线 Ｍｓ ２ Ｌ ２ ０ Ａ Ｓ 多 和 四级流水线技术 ， 得运算速度大为提高 。Ｔ ３ ０ Ｆ ４ ７ Ｓ 使 ＭＳ ２ Ｌ ２ ０ Ａ Ｄ Ｐ有 以下一些特点 ： （） １采用高性能静 态 Ｃ ＭＯＳ技术 ， 使得供 电电压 降为 ３３ 减小 了 ．Ｖ， 控制器的功耗 ；０ Ｐ ４ ＭＩＳ的执行速度使得指令周期缩短 到 ２ ｎ ，从而提 ５ｓ 高了控制器的实时控制能 力。 （） ２ 片内具有高达 ３ Ｋ字的 Ｆ Ａ Ｈ程序存储器 ，．Ｋ字的数据 ／ ２ ＬＳ １ ５ 程 序 Ｒ Ｍ，４ Ａ ５ ４字的双 口ＲＡ Ｄ Ａ 和 ２ Ｍ（ＡＲ Ｍ） Ｋ字 的单 口ＲＡ ｓ Ａ 。 Ｍ（ ＡＲ Ｍ） （） ３ 两个事件管 理器 Ｅ Ａ和 Ｅ Ｂ， Ｖ Ｖ 每个包 括 ： 两个 １ 通用定 时 ６位 器， ８个 １ 位 的脉宽（ｗＭ） ６ Ｐ 通道 ， 个捕获单元 ， 内光电编码 器接 口电 ３ 片 路 ，６通道 Ａ Ｄ转换器。 ｌ ／ （） ４ 可扩展的外部存储器总共 １２ ９ Ｋ字 ：４ ６ Ｋ字程序存储器 ；４ ６ Ｋ字 数据存储器 ；４ ６ Ｋ字的 Ｉ ／ Ｏ寻址空 间。 ２系统 硬 件 设 计 ． 本系统采用 Ｔ ３ ０ Ｆ ４ ７ Ｓ ＭＳ ２ Ｌ ２０ Ａ Ｄ Ｐ微处理器作为核心控制器件 ， 采 用专 门为 两相 ／ 四相 步进 电机设 计的 Ｌ ９ 双全 桥驱动 芯片作为功率 ２８ 驱动器件 ， 结合电流 、 转速反馈 电路等实现对两相混合式步进 电机 的控
混合式步进电动机细分驱动器的研制开发
［ １ ］ 刘宝廷－ 步进 电动机及 其驱动 控制 系统［ Ｍ］ ． 哈 尔滨 ： 哈尔滨工
为２ ５ ０ ｍ Ａ ， 最 大反 向峰 值 电流 为 ５ ０ ０ ｍ Ａ 。通 过外 接 取 样 不下降。经实际测量， 最高响应频率可达 ７ ８ Ｋ 。 电阻， 当被 驱 动器 件 过流 时 ， 它 内部 的过 流保 护 电路 就 会
［ 参考文献 ］
封锁输出， 从而保护功率器件不会损坏 ， 只有当 ３ 个低端 输入信号 同时为高电平时 ，封锁才解除。它 内部还有过 压、欠压等保护 。它 的输出驱动信号的最小上升时间为 ５ ０ ０ ｎ ｓ ，最小下降时间为 ３ ０ ０ ｎ ｓ ，可以在较高的频率下工 作 ，而且输入信号与 １ Ｙ ｒ Ｌ及 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ电平兼容。这些特点 使Ｉ Ｒ ２ １ ３ ０ 非 常适合应用于 由 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ和 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ作开关
业大学出版社 ， １ ９ ９ ７ ．
［ ２ ］ 黄大 贵微 机数控 系统 ［ Ｍ］ 戚 都： 电子科技大学出版社 ， １ ９ ９ ６ ． ［ ３ ］ 郭庆鼎 ， 王成元． 交流伺服系统［ Ｍ］ ’ 北京 ： 机械工业 出版社 ， １ ９ ９ ４ ． ［ ４ ］ 郭庆鼎 ， 王成元 ， 周美文． 矢量控 制交 流伺服驱动 电动机 ［ Ｍ］ ． 北
相 反 ，若 上 桥 要
开 通 ，则 下 桥 必
回
该部分电路 比较简单 ，主要是完成和外部控制信号的 须 是 关 断 的 ， 绝
连接 、 隔离 ， 电源输入 接 口和 电机连接端 口以及 相关 功能 的 对不允许 有使上
步进电机驱动器设计及技术改进
步进电机驱动器设计及技术改进摘要:本文分析了步进电机的应用及其驱动技术研究,给出了设计软件程序实例、硬件原理图及输出波形图,并提出了相应的改进措施。
关键词:步进电机环形分配细分步进电机结构简单而且控制方便,在机械及自动控制等领域应用较普遍,但是步进电机也存在步距角较大、低频振动等缺点,如需在精度要求较高的工程中应用,除要提高制造工艺,选取高精度高性能的步进电机外,对步进电机驱动技术的研究也是很有必要的。
1 步进电机工作原理步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构,它有别于普通的旋转电机,步进电机的旋转运动和输入的脉冲个数有严格的对应关系,并以此来控制其角位移量,同时依靠步进电机特有的自锁能力使其保持在目标位置。
2 驱动器设计步进电机运动方式的特殊性决定了它需用一个专用的驱动器来供电,驱动器主要功能是对输入脉冲分配后再进行功率放大,放大后的功率信号按特定顺序轮流加到电机绕组的两端,控制步进电机运动。
驱动器主要由环形分配器、功率放大器及其他控制电路组成,其中环形分配器是步进电机驱动器设计的关键。
目前的DSP技术发展较快,特别是美国TI公司的2000系列DSP 是专为控制各种电机设计的,本文以TMS320LF2407控制两相四拍的步进电机为例,主要介绍最常用的两种设计环形分配器的方案:一是通过DSP的PWM口,在程序里对EV A或者EVB的4个PWM口进行精确的时序分配,利用纯软件的方法实现环形分配器;二是以专业的芯片电路为基础,如集成电路芯片L297+L298组成得驱动电路或者THB7128芯片等,利用DSP的I/O口即可实现对环形分配器的控制。
两种方案各有优缺点,下面详细介绍两种方案实现方法。
2.1 硬件实现环形分配器本文选取比较常用的集成电路芯片L297和L298的组合,该方案特点是控制简单,只需要对L297芯片的几个输入端进行控制即可,其中包括脉冲信号CLK、方向控制信号CW/CCW、半步和整步选择控制信号HALF/FULL 以及使能信号EN。
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①第 32 卷 第 2 期西 南 师 范 大 学 学 报 (自然科学版) 2007 年 4 月 Vo l 1 32 No 1 2 Journal of S out h west C hina Nor m al University (Nat u ral Science ) Ap r 1 2007文章编号 : 1000 - 5471 (2007) 02 - 0124 - 04步进电机高性能驱动装置的研究吴德明重庆职业技术学院 , 重庆 400712摘要 : 本文论述了采用 N 沟道 VD MO S 开关管构成的功率步进电动机驱动电源的设计 , 说明了驱动系统的工作原理 , 给出了装置中的调频调压电路 、P WM 串联型开关电源和斩波限流电路.关 键 词 : 步进电动机 ; 驱动电源 ; VD MO S 开关管中图分类号 : T M 3011 4 文献标识码 :A功率步进电动机在微机控制的中小型机床和其它自动化装置方面取得了广泛的应用. 步进电动机与一 般交、直流电动机不一样 , 后者的电源常常是一个标准的交 、直电源 , 只要电压等级和容量与电动机给定 参数相等 , 电机基本上就有确定的性能. 步进电动机的电源 , 在许多情况下是一个直流开关电源. 步进电 动机的性能很大程度上依赖于驱动电源的性能 , 所以研究高性能的步进电动机电源尤为重要.1 驱动装置的工作原理 步进电动机容易发生低频振荡、高频“失步”现象. 针对这一缺点 , 本人设计出一种调频调压斩波限流 步进电动机的电源. 在功放驱动部分采用了斩波限流 , 而功率驱动部分的直流电源则应用脉宽调制式串联型开关电源. 使用了频率电压转换器( F V C ) L M 2917 J 和脉宽调制器 ( P WM ) TL 494 , 使开关电源输出电 压随着脉冲信号 CP 的频率 f 变化而变化. 变化范围为 30～60 V . 如实际情况需要 , 电压调节范围可以设 计得更宽. 电压和频率的关系可由下式来表示 :V = V 0 [ 1 + K ( f ) ] ( 1)式中 V 0 为根据具体要求而设定的起始电压 , 这里 V 0 = 30 V , 而 K ( f ) 是以 f 为变量的待定函数. 当时 , f ≤400 H Z , K ( f ) = 0 , f 由 400 H Z 向增大方向变化时 , K ( f ) 的值由零开始上升 , 反之亦然. 图 1 表示调频 调压斩波限流驱动电源的原理框图. 从图 1 可以看出 , 微机发出的信号通过光电隔离后分成两路 , 一路到 环形分配器的 C P 输入端作 C P 脉冲. 环形分配器输出 Q A 通过斩波限流和功率放大去驱动步进电机 ; 而另 一路 CP 通过 F V C 变换成相应的电压 , 此电压去调节 P WM 输出脉冲信号的宽度 , 控制串联型开关电源的 输出. P WM 脉宽调制器本身以 10 K H Z 的固有频率工作. 在频率 f 低于 400 H Z 时 , P WM 有一固定的脉 宽输出 , 使串联型开关电源输出为 30 V . 当 f 从 400 H Z 上升时 , P W M 的脉冲也从某一脉宽变宽 , 开关电 源输出电压也就上升. 实现了步进电机理想工作时所需要的电压对频率的跟踪.① 收稿日期 : 2007 - 02 - 14作者简介 : 吴德明( 1963 - ) , 男 , 重庆人 , 讲师 , 主要从事机电设备控制与检测的研究和教学.第 2 期 吴德明 : 步进电机高性能驱动装置的研究 125图 1 原理框图Fi g 1 1 Functio n al Block Dia g ro m2 调频调压控制电路的设计调频调压控制电路由 FV C 频压转换器和 P WM 脉宽调制电路组成 , 脉宽调制电路的输出 P WM 与步 进信号 C P 呈一定函数关系 , 其电路结构如图 2 所示. F/ V 转换器由 2917J 及其外围电路组成 , 它将步进脉 冲信号 C P 转换成与其成比例的电压 , 作为脉宽调制电路的调制信号. 2917 J 外围电路的参数要影响它自 身的动态响应特性 , 从而对电动机的动态性能产生影响. 影响 F/ V 变换速度的主要元件是滤波电容 C 2 , C 2 的值偏大时 , FV C 电路输出电压的纹波较小. 但 F/ V 变换的响应时间较长 , 即由于的 C 2 积分效应使得输 出电压产生滞后相移 , 经脉宽调制电路和串联型开关电源电路还原后 , 作为电机的驱动电压就存在滞后相 移 , 就影响电动机的快速性. 若 C 2 的值过小 , 则 F/ V 电路输出电压的纹波较大 , 驱动部分的电压随 C P 脉 冲波动较大 , 电机的单步响应特性和振荡特性变差 , 同时增加 T 1 管的漏源冲击电流. 在实际中 , C 2 可根据 对电动机运行特性的要求进行选择 , 一般 C 2 在 01 001 ～01 1 μF 之间. C 1 , C 2 , R P 1 决定 F/ V 转换的斜率 ( d V / d f ) , 这里假定脉宽调制器是线性的 , C 1 , C 2 , R P 1 的取值法参见文献[ 5 ] . TL 494 是线性脉宽调制器 ,因此输出的 P W M 信号的占空比 D 随步进脉冲 C P 线性变化.图 2 调频调压控制电路Fi g 1 2 The C o n t rolli n g Ci rcuit of Freque n cy a n d Volt a g e Regulati n g3 脉宽调制式串联型开关电源的设计串联型开关电源的电路图如图 3 所示. 图中 C 1 和 R 1 为第一级滤波 , 电感 L 1 和电容 C 2 组成第二级滤 波器. L 1 的电感量和 C 2 的电容量根据文献[ 3 ]可分别用下式计算 :S min ( 1 - D mi n )τ1 L 1 = V D 2 ( i L max - I 0 max ) ( 2)西南师范大学学报 (自然科学版) 第 32 卷 1262 式 (2) 中是 V S 整流后的直流电压 ; D min 是保持电机定位电流的占空比 ; I 0 ma x 是电机定位的最大总电流 ; i L max 是电感中最大峰值电流 , 近似等于开关 T 1 所允许的最大电流 ; τ1 是P W M 斩波脉冲周期. S ( 1 - D )τ2 C 2 = V D 1 8 L 1ΔV o ( 3)式 ( 3) 中 D 为 P W M 脉冲序列占空比 , 是输入 C P 脉冲频率的函数; V o 为电源输出电压; ΔV o 为所限定的电 容电压纹波值.按上面两式来确定电感量和电容量 , 能使滤波器的结构尺寸较小 , 且电机的动态响应和低频运行特性 及单步运行特性较为理想. 在这种工作模式下 , 电路输出电压的表达式为 : V S τ1 式中 I 0 为电动机的总电流.V o = V S τ1 + 2 I 0 L 1 / D 2( 4)图 3 脉宽调制式串联型开关电源电路图Fi g 1 3 The C i rc u it of Ta n de mTyp e Swit c hi n g Supp l y C o n t rolle d by P W M 4 斩波限流电路的设计本电源用于驱动三相步进电机 , 下面仅给出一相斩波限流电路原理图 , 其它两相的电路与此相同. 本电路主要由 N E 555 和 L M 339 及采样电阻 RS 组成 , N E 555 被用作施密特触发器 , 它接收环形分 配器的输出信号 Q A 来控制 VDMO S 管的关断与导通. 因 VDM O S 管的高频增益较大 , 易产生寄生振荡 , 所以在其栅极串联了一个 100 Ω 的电阻 R 3 (或数十至几百欧姆) , 使驱动电路和 VDMO S 管实现高频分离 , 以防振荡. L M 339 组成一个滞回比较器 , 通过设定电压值与采样电阻 R S 上的电压相比较 , 来决定输出端 为高电平还是低电平 , 从而控制 N E 555 进行斩波 , 限定相电流 , 同时由于 L M 339 是滞回比较器也防止了 外来干扰引起的误动作.5 功率器件的选择用于步进电机驱动电路的功率管有 GT R 、VDMO S 和 I G B T. 由于 VDMO S 管是电压控制型器件 , 开关速度达微秒级 , 增益高达 108 ～109 , 输入阻抗约为 108 Ω , 驱动功率可降低且不存在二次击穿现象 , 不但是理想的线性功率放大和功率开关器件 , 而且又便于与 CM O S 、T TL 集成电路相连接易实现与微机的控制 接口 , 可明显改善步进电机的高频运行特性和可靠性.电机驱动级的正向开关损耗基本于集射极饱和压降 U CE ( SA T ) 或漏源极电压 U DS , 对于电流 20～30 A 的 应用 VDMO S 管有良好的特性 , 它与双极型 I C 相同. VDMO S 在漏源极间有个寄生二极管 , 会影响高速性能 , 所以一般采用肖特基快恢复二极管 ( F RD ) 对 VDMO S 管进行高速续流 , 以抑制电机驱动电源端插入电感造成的 d i. d t第2 期吴德明: 步进电机高性能驱动装置的研究1276 结束语图4 一相斩波限流电路图Fi g1 4 The Si n gle2Pha s e Chopp e r Cur re n t li miti n g Circ u it本装置制成后用于110B F003 型步进电机及类似的步进电机的驱动, 在电流I = 3 A 的情况下让步进电机运转, 电机的高频特性、升降速特性均良好, 低频振荡及噪声得到大大改善. 与传统的驱动电源B SQ Ⅱ型相比, 该电源的运行频率、矩频特性、效率等指标具有明显的优势.参考文献:[ 1 ]沙占友1 中外集成传感器实用手册[ M ] .北京: 电子工业出版社, 2005 .[ 2 ]赵文博. 新型常用集成电路速查手册[ M ] .北京: 人民邮电出版社, 2006 .[ 3 ]浣喜明, 姚为正. 电力电子技术[ M ] .北京: 高等教育出版社, 2004 .[ 4 ]王廷才1 电力电子技术[ M ] .北京: 高等教育出版社, 2006 .[ 5 ]李中江. V M O S 功率场效应晶体管及应用[ M ] .北京: 人民邮电出版社, 1990 .[ 6 ]付植桐, 尹常永. 电子技术[ M ] .北京: 高等教育出版社, 2004 .责任编辑汤振金。