五相混合式步进电动机驱动新技术

曲线, 由图 6 与图 7 对比可知, 在恒流频域内, 其 牵出转矩基本上等于最大静转矩值, 使得电机性能 得到充分发挥。 而通常采用的B uck 型升频升压驱 动方式, 为了兼顾电机系统的动态特性, 其牵出转 矩一般只能达到最大静转矩的 70%～ 80%。
4 结 论
恒频斩波恒总流驱动是五相混合式步进电动机 驱动技术的发展方向, 是一种新型的步进电动机驱 动系统, 其优点有:
表 1 绕组通电状态及控制信号对应关系
序号 通电状态 控制讯号
1 A BϖCD{ - eγaλb
2 A BϖCD{ E aλb
3 BϖCD{ E
aλbc
4 BϖCD{ EAϖ λbc
5 CD{ EAϖ
λbcdθ
6 CD{ EAϖB cdθ
7 D{ EAϖB
cdθe
8 D EA B C d e
9 EAϖB Cθ
cu rren t
1 引 言
步进电动机驱动器和步进电动机构成了步进电 动机系统。 不同的驱动方式具有不同的步进电动机 运行特性, 因此长期以来, 步进电动机驱动技术的 研究一直深受重视。
五相混合式步进电动机是步进电动机的主要产 品之一, 在各领域获得广泛应用, 其功率驱动级的 绕组联线通常采用五相星接, 按A →B →C →D →E 首尾串联的五边形联接及五相全 H 桥联接三种方 式。 为了实现恒转矩控制, 通常采用以下几种驱动 控制方式[1～ 3 ]:
图 2 恒频斩波恒总流驱动五相混合式步进 电动机系统结构示意图
性, 在整个运行区域内, 没有振荡区[1], 又由于五相 绕组电流相互关联, 相电流具有很陡的上升沿和下 降沿, 见图 4, 使电机具有优良的动态特性。采用传 统的五边形联接时, 在不考虑互感的情况下, 各相 电流是独立的, 实验表明, 虽然也具有良好的动态 特性, 但在中低频范围内存在严重的振荡区。 213 总电流控制原理
Abstract T h is p ap er p resen t s a new d riving techn ique of 5- p ha se hyb rid step m o to rs and a new p en tagon connect ing p a t tern, the exp erim en ta l resu lt s a re g iven. T h is d riving system ha s a lo t of advan tages, such a s excellen t dynam ic respon se, favo rab le op era t iona l stab ility, h igh reliab ility and sim p le circu it. T he p rop ert ies of the step m o to r a re fu lly develop ed. Key words 5- p ha se hyb rid step m o to r N ew p en tagon w ind ing connect ion Con stan t to ta l
(1) B uck 型电路的升频升压驱动方式。加在电 机绕组上的电压随运行频率的升高而升高, 使得在 升频升压频域内保持绕组电流和牵出转距基本恒 定。 这种驱动方式由于在主回路中加入了由滤波电
感和电容构成的惯性环节, 步进电动机系统的动态 性能较差。 为了使电机的牵出转矩达到额定电流时 的最大静转矩值, 在升频升压范围内, 绕组电流的 峰值要达到额定电流的 2 倍以上。 众所周知, 步进 电动机在额定工作状态下其磁路较饱和, 因此绕组 电流超过额定值后, 单位电流产生的电磁转矩将减 小, 最终使驱动器和电机的温升增加, 效率降低。
19 EϖA BϖC
d eγa
20 EϖA BϖCD{ eγa
控制下桥臂各功率管。 由表 1 不难看出, 在理想情
况下, 任一通电状态只有 2 个或 3 个功率管导通, 与
传统的五相星接和五边形接法时的控制逻辑信号不
同。
212 新五边形联接的优点
与传统的五边形联接比较, 新五边形联接具有
如下优点。
(1) 流过功率管的峰值电流小, 系统效率高。采
(2) 恒相流斩波的驱动方式。 这时功率放大级 通常采用五相全 H 桥联线, 这种驱动方式的五相混 合式步进电动机具有优良的动态响应, 但这时的功 率管是半 H 桥驱动方式的 2 倍, 且每一相都要有一 个独立的电流检测和控制环节, 使得驱动器的体积 重量增大, 同时, 由于元器件的增加, 势必降低了 驱动器的可靠性。恒相流全 H 桥驱动方式主要用于 二相和三相混合式步进电动机。
1 只需一个电流检测控制环节, 线路简单、调 试方便。 对于多相步进电动机, 如五相和九相混合 式步进电动机, 采用这种恒总流控制技术, 优势更 加明显。
2 通过与五相星接, 按传统的五边形联接的五 相混合式步进电动机系统的运行特性对比表明, 本 文提出的联接方式, 具有更好的运行平稳性。
3 由于电流检测与控制环节的时间常数小, 电 流反馈信号对总电流的跟随性好, 斩波频率高, 限 流动作迅速, 对功率管的冲击电流小, 同时所用元 件数少, 从而提高了驱动器的可靠性。
2 工作原理
211 通电状态与控制信号的关系 图 1 为功率放大级电路及绕组联接示意图。 与
传统的五边形联接不同, 五相绕组按A →C →E →B →D 的顺序首尾串联构成新五边形。在 4～ 5 通电的 半步工作方式下, 其绕组通电状态与传统的五相星 接、 五边形联接时的通电状态完全相同, 由于五相 混合式步进电动机五相绕组A 、B 、C、D 、E 的相 位依次相差 6Π 5 电弧度, 因此, 根据四相和五相绕 组通电产生最大合成转矩的原理得到表 1 所示的通 电状态表。 根据图 1 可得出与各通电状态相对应的 由环形分配器产生的控制逻辑信号, 如表 1 所示。表 中A 、B 、C、D 、E 表示绕组正向通电, Aϖ、Bϖ、Cθ、 D{ 、Eϖ 表示绕组反向通电, 而 a、b、c、d、e 为上桥 臂各功率管控制信号, aλ、λb、cγ、dθ、eγ 为环形分配器 产生的下桥臂控制信号, 它与电流反馈信号综合后
陈敏祥
(浙江大学)
Chen M inx iang
(Zhejiang U n iversity)
摘 要 介绍了一种五相混合式步进电动机恒频斩波恒总流驱动新技术, 及新五边形绕组联接方 式, 并给出了样机的实验结果。 这一驱动系统具有优良的动态响应及运行平稳、 线路简单、 可靠 性高等一系列优点, 电机性能得到了充分发挥。 关键词 五相混合式步进电动机 新五边形绕组联接 恒总流
图 4 和图 5 为实测的相电流和总电流波形。 当 改变电机负载时, 绕组电流基本不变, 电流平均值 等于额定电流值。 图 5 的总电流波形可以看出, 总 电流的峰值为 17A , 图中峰值大小有所变化, 是由 于微机测试系统的速度较低所造成的。
图 3 电流控制原理示意图
所有下桥臂功率管, 此时绕组电流通过其它相绕组 和上桥臂续流二极管续流; 当V I < V ref时, 比较器输 出高电平V C = 1, D 触发器输出电平就等于 K{ , 即这 时各功率管的控制信号就是由环形分配器产生的通
用新五边形联接时, 流过功率管的电流峰值是相电
流的 2 倍, 见图 4 实测电流波形。 而传统的五边形
联接时相电流和线电流波形都接近三角波[1], 实验
表明, 流过功率管的峰值电流是相电流的 4 倍, 这
势必增加了功率管的损耗, 降低系统的效率。
(2) 新五边形联接时绕组电流不存在锯齿波, 因
此电磁噪音小。
图 2 为这种驱动系统的结构示意图, 整个系统 由环形分配器、 前级驱动、 功率驱动级、 电流控制 环节组成。图 2 中, K 为上桥臂控制逻辑信号 a、b、 c、d、e, K{ 为下桥臂控制逻辑信号。图 3 为电流控 制原理示意图, I 0 为总电流, R s、V s 分别为总电流 检测电阻和检测电阻上的压降, 用V s 来反映总电流 大小, 为了消除功率管导通关断时由于结电容等因 素引起的干扰信号, 需加入一个由 R t、C t 组成的滤 波环节, 其时间常数为 Σ= 1～ 2Λs。V s 经 R tC t 滤波 后的信号为V 1, 将V 1 与基准电压V ref比较, 如果V 1 ≥V ref, 则表示总电流已超过额定值, 比较器输出低 电平 V c= 0, 使 D 触发器清零, 关断
电逻辑信号。
振荡器产生 25k s 的脉冲信号, 接到D 触发器
图 4 实测的相电流及线电流波形
图 6 为实测的最大静转矩曲线, 当 I = 9A 时, 最大静转矩为 30Nm。 图 7 为实测的牵出矩频特性
第 1 期 五相混合式步进电动机驱动新技术
·41·
图 5 实测的总电流波形
dθeaλ
10 EAϖB CθD eaλ
序号 通电状态 控制讯号
11 AϖB CθD
eaλb
12 AϖB CθD ϖE aλb
13 B CθD Eϖ
aλbcγ
14 B CθD EϖA bcγ
15 CθD EϖA
bcγd
16 CθD EϖA Bϖ cγd
17 D ϖEA Bϖ
cγd eγ
18 D EA B C d e
4 步进电动机的牵出转矩达到最大静转矩值, 电机性能得到充分发挥。
图 6 实测的最大静转矩曲线
参考文献
第 2 卷 第 1998 年 3
月1 期 EL
电 ECTR
机 IC M
与 A CH
控 IN ES
制 AND
学 CON
报 TROL
V o l12 M a r.
N o 11 1998
五相混合式步进电动机驱动新技术
A New D r iv ing Techn ique of 5- pha se Hybr id Step M otor