混合式功率步進電動機的新型驅動電路

    王宗培  孫禮明(哈爾濱工業大學150001)

    【摘  要】根據功率型混合式步進電動機目前常用的buck型升頻升壓驅動和單電壓橋臂斬波驅動兩種驅動系統運行的特性，提出了一種升頻升壓型．pwm恒相流斬波驅動方式。這種新型驅動電路解決了這兩個系統的平穩性與快速性的矛盾。文中給出了電路參數的設計方法及實驗結果。

l引  言

    功率型混合式步進電動機，一般相繞組電流較大，不適宜采用串電阻限流等簡單的驅動電路，目前常用的主要是buck型升頻升壓驅動和單電壓橋臂斬波驅動。采用buck型升頻升壓驅動方式時，功放橋的電壓跟隨cp脈沖頻率的變化，低頻時電壓低，相繞組電流波形的前、后沿變化較平緩，電機轉子向新的穩定平衡位置運動的過沖小，或沒有過沖，角速度振動不明顯，表現出運轉平穩和噪聲小；但是另一方面，buck型降壓器的主電路中含有一個lc低通濾波電路，目的是濾除載波分量，使功放級也即繞組的電壓波動小，由于該濾波器的帶寬有限，對于突變訊號有較大的衰減，使得系統的響應速度較慢，致使極限升降頻速度較慢，以及起動頻率較低。橋臂斬波驅動方式，由于直接對橋臂斬波，少一個濾波環節，因此系統的響應速度快，極限升降頻時間短，起動頻率較高。但是由于在低速運行時功放橋也是加的高壓，使得繞組電流變化加快，轉子運動過沖加大，角速度振動明顯，表現出運轉平穩性較差和噪聲增大。以上對兩種不同驅動方式特點的分析，明顯表現出系統的快速性和運行平穩性的矛盾。

    本文將上述兩種驅動方式的特點結合起來，提出一種新的“升頻升壓型pwm恒相流斬波驅動方式”。該驅動方式因為有恒相流控制，所以功放級的電壓隨頻率上升快一些也不會引起過電流，升頻升壓快一些，繞組電流的變化(前后沿)加快，電動機的快速性提高，但平穩性下降，從而可以根據系統工作的實際要求調節升頻升壓曲線，使得既滿足系統快速性的要求，又運轉較為平穩。同時，由于恒相流控制可以消除轉子角速度波動引起繞組電流波動，也有利于改善電動機的運行特性。新驅動方式的恒相流部分采用各相繞組同頻率同相位的pwm斬波控制，消除了因繞組耦合產生差拍訊號而引起的電磁噪聲。該驅動系統結構簡單，功能模塊化，調試極為方便，現已產品化，本文介紹由哈杭電伺服技術研￡所生產，應用于130和200機座大轉矩的三相、五相和九相混合式步進電動機的驅動器的原理和設計特點。

2新型驅動系統的工作原理

    圖1表示升頻升壓pwm恒相流斬波驅動電源的原理框圖。步進脈沖訊號輸入：一路到環形分配器，其輸出直接控制功放橋的開關元件，使步進電動機的通電狀態按一定的邏輯順序轉換；另一路到升頻升壓pwm脈沖生成電路，它輸出pwm脈沖的占空比d是cp脈沖頻率的某一函數，函數關系根據對電動機快速性的要求和對運行平穩性的考慮折衷確定，該pwm脈沖控制buck變換器，它的輸出就是功放橋的工作電壓。功放橋的下橋臂也處在pwm斬波控制狀態，使相電流限定在極限值(或額定值)范圍內。由于繞組電路的電壓由升頻升壓的函數確定，所以為了提高電動機高速運行性能而提高功放級的全導通電壓時，也不會影響電動機低速運行的平穩性；由于相繞組電流有限定控制，所以升頻升壓的函數可以適當調節，電壓上升得稍快一些，也不會引起過電流，只會影響電流波形的前后沿，使電流變化加速，電動機的動態響應改善。

3 buck變換器參數的設計

    buck變換器的電路結構如圖2所示。開關管可根據功放橋所要求的電壓及所需提供的電流的大小選定。圖中將作為變換器負載的功放橋和電動機等效成一個電流源，用io表示；濾波電感lo和濾波電容co的值，對驅動系統的工作有一定的影響，所以對其參數的選擇較為重要。

文獻1針對以步進電動機為負載的buck變換器，給出l。和co的計算公式，并認為lo的求取應使電路工作在連續導電模式下，即lo的值應大于所求取的臨界電感。但是步進電動機的總電流和占空比隨著負載和運行頻率變化，算出的臨界電感便有不同值，且在某一占空比時(對應某一運行頻率)有一****電感量。取該電感量時，濾波環節的慣性偏大，產生二方面的影響，一是影響動態運行性能，使穩態輸出和響應速度都有所下降；二是對振蕩的影響，電機振蕩需要吸收能量時，若電感量較大有足夠的儲能隨時可以提供，有時也會導致振蕩加劇，而且在工程上形成該電感比較困難，一般采用****電感量的線性電感，或利用鐵氧體的飽和特性近似形成該電感，這與步進電動機要求高頻時慣性環節減小相