反馈控制改善驱动电源矩频特性

康晶，邵强，胡红英

(大连民族学院，辽宁大连116600)

    摘要：为了改进步进电动机的矩频特性，设计了一种具有反馈控制环节的高低压驱动电路，将检测控制环节应用于高低压驱动电路，提高了驱动电源的高频驱动能力。介绍了电路的结构原理和部分参数的计算。对三种驱动电路进行了驱动能力和特性对比实验。实验结果表明：该方法明显地提高了驱动能力，改善了电源的矩频特性，克服了恒流斩渡驱动电源的高频电磁噪声和斩波管的过热现象。

    关键词：矩频特性；驱动电路；检测环节；反馈控制

    中图分类号：TM383．6  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0034—03

0引  言

    步进电动机是机电一体化系统中的重要执行元件，步进电动机的输出转矩与运行脉冲频率的关系称为矩频特性，一般步进电动机的输出力矩随着运行频率的升高而下降。为了改善步进电动机的矩频特性，提高步进电动机高频段的输出力矩，可以采用提高电源电压的方法来增加绕组中电流的有效值；或在绕组回路中串电阻，以降低时间常数T，但前者会导致低频运行时绕组电流过载，后者会增加功率损耗，导致步进电动机和整个供电系统效率降低。通常采用高低压供电或恒流斩波改善步进电动机的矩频特性^[1-4]。如文献[1]报道采用高低压切换方法，电机在低速运转时采用低压供电，降低电机的低频振荡；高频运行时采用高压供电，提高电机的高频运行力矩；文献[2]报道采用具有反馈控制环节的高低压驱动电路，利用反馈控制高压管的导通时间，适应不同的运转频率，改善高频驱动能力，并且消除了恒流斩波驱动电路在锁相时因斩波产生的高频电磁噪声，并且克服了定时控制与脉冲变压器式驱动电路对步进电动机运行频率范围的限制，难于集成的缺点^[2]。

1具有反馈控制环节的高低压驱动电路

    高低压驱动电路又称双电压驱动电路，可以分为定时控制与脉冲变压器控制。脉冲变压器式驱动电路结构简单，但是因为使用脉冲变压器使制造工艺复杂，成本高，且不易模块化，目前用得很少；定时控制高低压驱动电路采用单稳态触发器将控制脉冲分离出一个同步的窄脉冲作为高压有效控制信号。该脉冲的宽度为单稳态触发器的暂态过程时问△t，在这个过程中高压控制管与低压控制管同时导通。△t既不能太大也不能太小；太大时，步进电动机电流过载使两个驱动管烧坏甚至将步进电动机烧毁；太小时，高频性能改善不明显，高频运转时出力小，易产生失步现象。一般△t取值与主回路的电气时间常数t相等[2]。一旦△t被确定，则难以控制、调整适应不同的运转频率和不同绕组电感的步进电动机。具有反馈控制的高低压驱动电路如图1所示，

于集成的缺点[2]。

1具有反馈控制环节的高低压驱动电路

    高低压驱动电路又称双电压驱动电路，可以分为定时控制与脉冲变压器控制。脉冲变压器式驱动电路结构简单，但是因为使用脉冲变压器使制造工艺复杂，成本高，且不易模块化，目前用得很少；定时控制高低压驱动电路采用单稳态触发器将控制脉冲分离出一个同步的窄脉冲作为高压有效控制信号。该脉冲的宽度为单稳态触发器的暂态过程时问△t，在这个过程中高压控制管与低压控制管同时导通。△t既不能太大也不能太小；太大时，步进电动机电流过载使两个驱动管烧坏甚至将步进电动机烧毁；太小时，高频性能改善不明显，高频运转时出力小，易产生失步现象。一般△t取值与主回路的电气时间常数t相等^[2]。一旦△t被确定，则难以控制、调整适应不同的运转频率和不同绕组电感的步进电动机。具有反馈控制的高低压驱动电路如图1所示，

开环饲服机构运动控制的重要环节，如果过程曲线

设计不合理或驱动电流不足，则易出现升速过程的失步。一般，步进电动机升速过程由电机的矩频特性曲线计算确定，而驱动电流则由驱动电路的结构、参数和运行频率确定。步进电动机单相绕组与驱动器的接口是一典型的L—R回路，如图3所示。电机绕组L的电流满足下述微分方程：

式中：θ——电机转角；

    R——主回路及电机绕组的总电阻；

    U(t)——矩形脉冲电压；

    Ls(θ)——步进电动机相绕组的自感。

    当电机单相绕组的电流为I(t)时，电机转子的电磁力矩为：

考虑到绕组自感Ls(θ)的变化，可得到步进电动机的矩频特性表达式：

式中：f_s——步进电动机脉冲频率；

    T_max——步进电动机****静转矩。

    由式(3)、式(4)可以看出：电机转子的电磁力矩是步进电动机绕组相电流和脉冲频率的函数，即T=f(I，f_s)，但绕组电流对电机力矩的影响更大。因此应设法改善绕电流波形，提高电机绕组有效电流，改善电机的高频段矩频特性。

    此外电机绕组是电感元件，其驱动电路主回路的电气常数和脉冲频率对绕组电流的影响也是引起高频段电机转矩下降的更重要因素。通常需(2～3)t，回路电流达到稳定值，即只有控制脉冲宽度≥2t，电机转子才有机会输出****转矩。而功率步进电动机的主回路电气常数为0．01～lO ms，r越小，主回路电流上升率越大，高频段矩频特性好，但功率损耗大，电源效率低。

3 三种驱动电路的驱动特性比较

   由反应式步进电动机的矩频特性分析可知：绕组的有效电流对电机的力知影响很大，而绕组是大电感元件，对于高低压驱动电路，其高电压的选取和高压控制管的导通时间决定了绕组的电流波形，即有效电流值。因此为了改善高低压驱动电路的驱动特性提高步进电机的矩频特性，笔者设计了具有反馈控制环节的高低压驱动电路，如图3所示。

    根据对上述几种驱动电路的应用实践与理论分析，我们分别对其进行了步进电动机驱动能力实验，实验中的步进电动机负载、驱动管型号、散热条件等均相同，其他实验条件见参考文献[2，4]。

    高低压定时控制驱动电路在高压有效脉冲宽度△f=0．5 ms、高压电源Uh=120 V的条件下对500～5 000 Hz的运转频率进行了驱动实验。实验表明：电路在低频条件下有严重的电流过载现象，其****电流为步进电动机额定电流的百分这140，引起高、低压控制管发热甚至烧毁；而在高频运行时控制脉冲宽度仅0.1 ms(占空比百分之50)，故****电流上升到2．8

A，平均电流仅为2．O A，步进电动机出力不足，出现较严重的失步现象。电流波形如表1所示，步进电动机的运行频率范围无法适应机电一体化系统的调速要求。

    恒流斩波驱动电路在实验中，高低速运行均表现了良好的矩频特性，但在斩渡过程中斩波管耗散功率增大产生过热现象，限制了电路的驱动能力。

    高低压反馈控制驱动电路在低频运行时无电流过载现象；在高频运行时表现了良好的矩频特性。如图4所示，其****电流可通过调整参考电压U_b控

制，而主回路驱动管的温度均低于恒流斩波驱动电路中的管温。表1给出了三种电路在高低不同运行频率下的电流波形，而电路运行时的高压控制管VT_l、散热器温度T₁、低压控制管VT₂、散热器温度T₂和步进电动机机壳温度Ts参见文献[2，4]。

    表2给出了三种驱动电路在相同散热器温度(50℃)时，不同运行频率下的驱动特性。其中反馈控制和恒流斩波驱动电路的相对驱动能力在高频时(4～5．5 kHz)表现出了优越性能，电机的平均力矩提高三倍；在相同输出力矩的情况下，步进电动机的运行频率提高了l～1．5 kHz，步进电动机的矩频特性得到显著的改变。图4给出了高低压驱动电路两种控制方式的步进电动机的矩频特性。

4结语

    (1)反馈控制驱动电路克服了高低压定时控制驱动电路的低频过载、高频出力不足使步进电动机产生失步的现象，可以实现步进电动机理想的矩频特性，并且可以根据不同的****运行频率调整电源电压U_h；

    (2)反馈控制驱动电路消除了恒流斩波电路因斩波过程产生的高频电磁噪声和斩波管过热现象；每个控制脉冲产生的上升电流大，加速性能好；

    (3)因电路中高压控制管截止时，采用低压电源供电，步进电动机绕组电流波形上部产生下陷，平均电流下降，下降幅度达百分之20，步进电动机的保持力矩有所下降。