两相混合式步进电机H桥驱动电路设计方案原理.docx

精品学习资源两相混合式步进电机 H 桥驱动电路设计原理H 桥功率驱动电路可应用于步进电机、沟通电机及直流电机等的驱动；永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必需用双极性 电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样 绕组电源需用 H 桥驱动；本文以两相混合式步进电机驱动器为例来设计 H桥驱动电路；电路原理图 1 给出了 H 桥驱动电路与步进电机 AB 相绕组连接的电路框图；欢迎下载精品学习资源4 个开关 K1 和 K4， K2 和 K3 分别受掌握信号 a， b 的掌握，当掌握信号使开关 K1， K4 合上， K2， K3 断开时，电流圈中的流 向如图 1〔a〕 ，当掌握信号使开关 K2， K3 合上， K1， K4 断开时，电流圈中的流向如图 1〔b〕 所示； 4 个二极管 VD1， VD2， VD3，VD4为续流二极管，它们所起的作用是：以图 1〔a〕 为例，当 K1， K4 开关受掌握由闭合转向断开时，由于此时线圈绕组 AB上的电流不能突变，仍需按原电流方向流淌 〔 即 A→B〕，此时由 VD3，VD2 来供应回路； 因此， 电流在 K1， K4 关断的瞬时由地→VD3→ 线圈绕组 AB→VD2→电源 +Vs 形成续流回路；同理，在图 1〔b〕 中，当开关 K2，K3 关断的瞬时，由二极管 VD4， VD1 供应线圈绕组的续流，电流回路为地→ VD4→线圈绕组 BA→VD1→电源 +Vs；步进电机驱动器 中，实现上述开关功能的元件在实际电路中常采纳功率 MOSFE管T ；由步进电机 H 桥驱动电路原理可知，电流在绕组中流淌是两个完全相反的方向；推动级的信号规律应使对角线晶体管不能同时导 通，以免造成高低压管的直通；另外，步进电机的绕组是感性负载，在通电时，随着电机运行频率的上升，而过渡的时间常不变，使得绕组电流仍没来得及达到稳态值又被切断，平均电流变小，输出力矩下降，当驱动频率高到肯定的时候将产生堵转或失步现象；因此，步进电机的驱动除了电机的设计尽量地削减绕组电感量外，仍要对驱动电源实行措施，也就是提高导通相电流的前后沿陡度以提高电机运行的性能；欢迎下载精品学习资源步进电机的缺陷是高频出力不足，低频振荡，步进电机的性能除电机自身固有的性能外，驱动器的驱动电源也直接影响电机的特性；要想改善步进电机的频率特性，就必需提高电源电压；电路设计图 2 给出了驱动器 AB相线圈功率驱动部分原理图；选用的功率 MOSFET元件是 IRFP460，其， ID=20A， VDss= 500V， RDS〔ON〕=；0 27Ω；在图 2 中，功率 MOSFET管 VT1， VT2， VT3， VT4和续流二极管 VD11， VD19， VD14，VD22相当于图 1 中的 K1， K2， K3， K4 和 VD1， VD2，VD3， VD4；功率 MOSFET管的掌握信号是由 TTL 规律电平 a， a， b， b 来供应的，其中 a 与 a，b 与 b 在规律上互反；a. 驱动电流前后沿的改善从步进电机的运行特性分析中知道，性能较高的驱动器都要求 供应的电流前后沿要陡，以便改善电机的高频响应；本驱动器中由 于功率 MOSFET管栅极电容的存在，对该管的驱动电流实际表现为对欢迎下载精品学习资源栅极电容的充、放电；极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大，为使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流要具有较大的数值；假如直接用集电极开路的器件如 SN7407驱动功率MOSFET管，就电路在 MOSFET管带感性负载时，上升时间过长，会造成动态损耗增大；为改进功率 MOSFE管T 的快速开通时间，同时也削减在前级门电路上的功耗，采纳图 2 虚线框内的左下臂驱动电路；集电极开路器件 U14 是将 TTL 电平转换成 CMOS电平的缓冲 / 驱动器，当 U14 输出低电平常，功率 MOSFET管 VT2 的栅极电容通过 1N4148被短路至地，这时 U14 吸取电流的才能受 U14 内部导通管所答应通过的电流限制；而当 U14 输出为高电平常， VT2 管的栅极通过晶体管 V3 获得电压和电流，充电才能提高，因而开通速度加快；b. 爱护功能图 2 虚线框中， 1N4744 是栅源间的过压爱护齐纳二极管，其稳压值为 15 V；由于，功率 MOSFET管栅源间的阻抗很高，故工作于开关状态下的漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生 相当幅度的 VCS脉冲电压；这一电压会引起栅源击穿造成管子的永久损坏，假如是正方向的 VCS脉冲电压，虽然达不到损坏器件的程度，但会导致器件的误导通；为此，要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值小于 20 V 而又接近20V的齐纳二极管 1N4744，防止栅源开路工作；功率 MOSFET管有内接的快复原二极管；当不接 VD11，VD12，欢迎下载精品学习资源VD13， VD14 时，假定此时电机 AB 相绕组由 VT1 管〔 和 VT4 管〕 驱动，即 VT2 管〔 和 VB〕截止， VT1 管〔 和 VT4 管〕 导通，电流经 VT1 管流过绕组；当下一个掌握信号使 VT1 管关断时，负载绕组的续流电流经 VT2 的内接快复原二极管从地猎取；此时， VT2 管的漏源电压即是该快复原二极管的通态压降，为一很小的负值；当 VT1 再次导通时，该快复原二极管关断， VT2 的漏源电压快速上升，直至接近于正电源的电压 +VS，这意味着 VT2 漏源间要承担很高且边沿很陡的上升电压，该上升电压反向加在 VT2 管内的快复原二极管两端，会使快复原二极管显现复原效应，即有一个很大的电流流过加有反向电压的快复原二极管；为了抑制 VT2 管内的快复原二极管显现这种反向复原效应，在图 2 电路中接人了 VD11， VD12， VD13， VD14；其中，反并联快复原二极管 VD11，VD14 的作用是为电机 AB 相绕组提供续流通路， VD12，VD13是为了使功率 MOSFE管T VT1，VT2 内部的快复原二极管不流过反向电流，以保证 VT1， VT2在动态工作时能起正常的开关作用； VD19， VD20， VD21， VD22 的作用亦是同样的道理；对图 2 电路的分析可知，信号 a=1， b=1 的情形是不答应存在的，否就将因同时导通从而使电源直接连到地造胜利率管的损坏；另外，依据步进电机运行脉冲安排的要求， VT1，VT2， VT3， VT4 常常处于交替工作状态，由于晶体管的关断过程中有一段储备时间和电流下降时间，总称关断时间，在这段时间内，晶体管并没完全关断；如在此期间，另一个晶体管导通，就造成上、下两管直通而使欢迎下载精品学习资源电源短路，烧坏晶体管或其他元器件；为了防止这种情形，可实行另加规律延时电路，以使H 桥电路上、下两管交替导通时可产生一个“死区时间”，先关后开，防止上、下两管直通现象；本驱动器电源驱动部分线路简洁，通过对电流前后沿的合理设计，降低了开关损耗，改善了电机的高频特性，并具有多种爱护功能，实际使用中成效良好；欢迎下载。