反饋控制改善驅動電源矩頻特性

康晶，邵強，胡紅英

(大連民族學院，遼寧大連116600)

    摘要：為了改進步進電動機的矩頻特性，設計了一種具有反饋控制環節的高低壓驅動電路，將檢測控制環節應用于高低壓驅動電路，提高了驅動電源的高頻驅動能力。介紹了電路的結構原理和部分參數的計算。對三種驅動電路進行了驅動能力和特性對比實驗。實驗結果表明：該方法明顯地提高了驅動能力，改善了電源的矩頻特性，克服了恒流斬渡驅動電源的高頻電磁噪聲和斬波管的過熱現象。

    關鍵詞：矩頻特性；驅動電路；檢測環節；反饋控制

    中圖分類號：TM383．6  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)06—0034—03

0引  言

    步進電動機是機電一體化系統中的重要執行元件，步進電動機的輸出轉矩與運行脈沖頻率的關系稱為矩頻特性，一般步進電動機的輸出力矩隨著運行頻率的升高而下降。為了改善步進電動機的矩頻特性，提高步進電動機高頻段的輸出力矩，可以采用提高電源電壓的方法來增加繞組中電流的有效值；或在繞組回路中串電阻，以降低時間常數T，但前者會導致低頻運行時繞組電流過載，后者會增加功率損耗，導致步進電動機和整個供電系統效率降低。通常采用高低壓供電或恒流斬波改善步進電動機的矩頻特性^[1-4]。如文獻[1]報道采用高低壓切換方法，電機在低速運轉時采用低壓供電，降低電機的低頻振蕩；高頻運行時采用高壓供電，提高電機的高頻運行力矩；文獻[2]報道采用具有反饋控制環節的高低壓驅動電路，利用反饋控制高壓管的導通時間，適應不同的運轉頻率，改善高頻驅動能力，并且消除了恒流斬波驅動電路在鎖相時因斬波產生的高頻電磁噪聲，并且克服了定時控制與脈沖變壓器式驅動電路對步進電動機運行頻率范圍的限制，難于集成的缺點^[2]。

1具有反饋控制環節的高低壓驅動電路

    高低壓驅動電路又稱雙電壓驅動電路，可以分為定時控制與脈沖變壓器控制。脈沖變壓器式驅動電路結構簡單，但是因為使用脈沖變壓器使制造工藝復雜，成本高，且不易模塊化，目前用得很少；定時控制高低壓驅動電路采用單穩態觸發器將控制脈沖分離出一個同步的窄脈沖作為高壓有效控制信號。該脈沖的寬度為單穩態觸發器的暫態過程時問△t，在這個過程中高壓控制管與低壓控制管同時導通。△t既不能太大也不能太小；太大時，步進電動機電流過載使兩個驅動管燒壞甚至將步進電動機燒毀；太小時，高頻性能改善不明顯，高頻運轉時出力小，易產生失步現象。一般△t取值與主回路的電氣時間常數t相等[2]。一旦△t被確定，則難以控制、調整適應不同的運轉頻率和不同繞組電感的步進電動機。具有反饋控制的高低壓驅動電路如圖1所示，

于集成的缺點[2]。

1具有反饋控制環節的高低壓驅動電路

    高低壓驅動電路又稱雙電壓驅動電路，可以分為定時控制與脈沖變壓器控制。脈沖變壓器式驅動電路結構簡單，但是因為使用脈沖變壓器使制造工藝復雜，成本高，且不易模塊化，目前用得很少；定時控制高低壓驅動電路采用單穩態觸發器將控制脈沖分離出一個同步的窄脈沖作為高壓有效控制信號。該脈沖的寬度為單穩態觸發器的暫態過程時問△t，在這個過程中高壓控制管與低壓控制管同時導通。△t既不能太大也不能太小；太大時，步進電動機電流過載使兩個驅動管燒壞甚至將步進電動機燒毀；太小時，高頻性能改善不明顯，高頻運轉時出力小，易產生失步現象。一般△t取值與主回路的電氣時間常數t相等^[2]。一旦△t被確定，則難以控制、調整適應不同的運轉頻率和不同繞組電感的步進電動機。具有反饋控制的高低壓驅動電路如圖1所示，

開環飼服機構運動控制的重要環節，如果過程曲線

設計不合理或驅動電流不足，則易出現升速過程的失步。一般，步進電動機升速過程由電機的矩頻特性曲線計算確定，而驅動電流則由驅動電路的結構、參數和運行頻率確定。步進電動機單相繞組與驅動器的接口是一典型的L—R回路，如圖3所示。電機繞組L的電流滿足下述微分方程：

式中：θ——電機轉角；

    R——主回路及電機繞組的總電阻；

 &n