可控开关电源在步进电机驱动中的应用

可控开关电源在五相步进电机驱动中的应用摘要 步进电机运行时存在两个问题：低频振荡和高频转矩，在运行过程中，我们可以不断的调节电源电压，并在导同时令多相绕组导通，可以有效的解决上面的两个问题。关键词：TL494，AT89C51，IR2130，可控开关电源0 引言步进电机作为一种数字伺服执行元件，具有控制方便、运行可靠、定位精准等优点，在工业领域广泛应用，在一些高精度的仪器仪表中也越来越多地采用步进电机驱动。步进电机的驱动控制系统对于充分发挥步进电机的性能、改善其高频特性以及提高其效率具有十分重要的作用。本文介绍了一种驱动电路，引入可控的开关电源作为步进电机的供电电源，可以有效的改善其低频转矩振荡，以及高频转矩特性。1步进电机控制中存在的问题及解决方案在给步进电机各相绕组供电时，电压波形是方波，而电流波形则是有两端指数曲线组成，这是因为受步进电机绕组电感的影响，当绕组导通时，电感阻止电流的快速变化；当绕组断电时，存储在绕组中的电能通过续流二极管放电。电流的上升时间取决于回路中的时间常数。我们希望绕组中的电流也能像电压一样突变，这一点与其他电机不同，因为这样会使绕组在通电时能迅速建立磁场，断电时不会干扰其他相磁场。在低速运行时，由于励磁脉冲的间隔时间较长，步进电机表现为单步运行，转子在电磁力的作用下开始运动，在到达平衡点时，电磁转矩驱动转矩为零，但转子转速过大，由于惯性，转子冲过平衡点，这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动，如此下去形成转子围绕平衡点的振荡。在步进电机驱动时，同时给步进电机的多相通电增加转矩，可以有效的减轻步进电机运行时的低频振荡。而电机在高频运行时，由于绕组的电感作用，绕组导通时其中的电流并没有升到最高值，就已经截至了，这样绕组的平均电流就下降了，步进电机的输出转矩就下降了，即随着脉冲频率逐步增加，步进电机的转速逐步升高，而步进电机的带负载能力却在逐步下降。为此，本文介绍了一种驱动方式，根据输入的脉冲频率调节可控供电电源，频率越高，供电电压越高，这样可以对绕组中的电流进行有效的补偿。2步进电机硬件驱动电路的设计本设计电路框图如下：图1 步进电机驱动的原理框图2.1可控开关电源的设计将220V的工频电压，通过变压器变换到80V，然后通过整流、滤波得到100V左右的直流电，主电路如图2所示。AT89C51脉冲频率的输出不同的八位数字量，并通过串口将数据传送给串口数模转换器TLC5620，将该八位数字信号转化为03.3V的模拟信号，并将这一信号送到TL494的引脚3上，调节TL494的PWM输出的占空比，调节主电路中的MOSFET的通断，从而实现电压的可调。设直流电压为U=100V，在电路中我们采用脉冲宽度调制，保持开关周期不变调节开关导通时间，则加在步进电机绕组上的电压经过绕组（感性负载）后，加在绕组上的电压为。图2步进电机驱动电路的主电路MOSFET电源调节电路原理如图3所示。本设计采用了PWM调制芯片TL494和D/A转换芯片TLC5620，TL494的5、6引脚接上电阻R4和电容C4，C4上就可以产生一定频率的锯齿波，其频率为f=1.1/(R4*C4)），幅值为4V，当引脚3上的电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变开关管的导通时间，达到调压、稳压的目的。脉冲调宽电压可有引脚3直接送入电压来控制也可分别从两个误差放大器的输入端送入，通过比较、放大、经隔离二极管输出到PWM比较器的正相输入端。在本电路中，我们直接从引脚3送入电压来调节脉宽，所以将2、15脚接高电平，1、16脚接地，使两个误差放大器的输出为低电平，这样经内部的隔离二极管误差放大器的输出便不会影响引脚3的电压信号。TL494的的输出方式有引脚13来控制，当引脚13与引脚14相连时，TL494图3开关电源驱动电路的两个输出管为推挽方式输出，当引脚13与地相连时两管为并联方式输出，并联方式输出时两管的发射极和发射极可以相连。在此电路中，我们选用并联方式输出，脉冲占空比可以在049%的范围内连续可调。为保护TL494的输出三极管经R3、R4分压，在引脚4上加0.3V的间歇调整电压。AT89C51的P0.0引脚送出八位数据，P0.1送出同步脉冲，将这一八位信号送到串口D/A转换器TLC5620,经TLC5620转换为03.3V的电压信号，送到TL494的引脚3,对输出脉宽进行调节，从而可以调节加到步进电机上的电压。2.2五相环形分配器的电路设计在本设计中，我们采用步进电机的环形节法，采用H桥结构（如图2所示），对各相绕组进行双极性驱动，对各个功率MOSFET的驱动电路如图4所示。在本驱动电路中，用到了美国国际整流公司生产的专用芯片IR2130只需一个供电电源即可驱动6个功率开关器件，可以使驱动电路简单可靠。IR2130可用于驱动工作在主电压不高于600V的电路的功率MOS器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA，其内部设计有过流、过压及欠电压保护、封锁和指示网络(图4中未画出器保护电路)。IR2130的2、3、4引脚为三个高压侧功率管对应的驱动器输入信号端，引脚5、6、7为三个低压侧驱动器输入信号端。高压侧通道的输出驱动电源是通过自举技术获得的，所以连续接到固定电源的功率管其反向耐压必须大于被驱动回路的主电压，高压侧的栅极由自举电容提供，高压侧的栅极电荷由自举电容提供，自举电容在器件断态时通过自举二极管被12V充电，且为了防止自举电容两端电压的放电，三个自举二极管D1、D2、D3应选用高频快速恢复二极管。另一方面自举电容的容量取决于被驱动功率MOS门器件的开关频率，为了防止自举电容处于放电造成其两端电压低于欠电压保护动作的门槛值，电容的容量取值应充分大，当被驱动的开关频率大于5kHz时，该电容值应不小于0.1uf。将P1.0P1.4以及对应的反相器的输出分别送到IR2130的高压侧和低压侧的输入端，控制相关功率MOS管的开通和关闭，进而控制步进电机各相绕组图4MOSFET驱动电路的导通和截至。我们可以通过环形脉冲分配电路，同时使五相步进电机中的四相绕组导通，依据叠加原理，可以得到单相绕组导通时3倍的转矩，可以有效的改善其低频特性。3结语本设计以可控电源作为步进电机的驱动电源，利用TL494的某些先进性能，根据驱动脉冲频率及时的调整开关电源的输出电压，可以有效的改善步进电机的高速转矩特性，并采用IR2130作为MOSFET的驱动芯片，不仅电路靠性性强，而且可以可靠的实现短路、过流、欠压和过压等故障的保护。