步进电机h桥功率驱动电路设计.doc

设计一种步进电机驱动电路，使加到电机绕组上的电流信号前后沿较陡，降低了开关损耗， 改善了电机的高频特性，同时具有多种保护功能．实验证明，该驱动电路简单、可靠并具 有优良的驱动性能．H 桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流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须用双极性电源供电，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．1 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．4 个开关 K1 和 K4，K2 和 K3 分别受控制信号 a，b 的控制，当控制信号使开关 K1，K4 合上，K2，K3 断开时，电流圈中的流向如图 1(a)，当控制信号使开关 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 开关受控制由闭合转向断开时，由于此时线圈绕组 AB 上的电流不能突变，仍需按原电流 方向流动(即 A→B)，此时由 VD3，VD2 来提供回路．因此，电流在 K1，K4 关断的瞬间 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 关断的瞬间，由二极管 VD4，VD1 提供线圈绕组的续流，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 中常采用功率 MOSFET 管．由步进电机 H 桥驱动电路原理可知，电流在绕组中流动是两个完全相反的方向．推动 级的信号逻辑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升高，而过渡的 时间常不变，使得绕组电流还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，当驱动频率高到一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 的设计尽量地减少绕组电感量外，还要对驱动电源采取措施，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．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，就必须提 高电源电压．2 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= 500 V，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 管的控制信号是由 TTL 逻辑电平 a，a，b，b 来 提供的，其中 a 与 a，b 与 b 在逻辑上互反．2.1 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提供的电流前后沿要陡， 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．如果直 接用集电极开路的器件如 SN7407 驱动功率 MOSFET 管，则电路在 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 MOSFET 管的快速开通时间，同 时也减少在前级门电路上的功耗，采用图 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 电平时，功率 MOSFET 管 VT2 的栅极电容通过 1N4148 被短路至地，这时 U14 吸收电流的能力受 U14 内部导通管所允许通过的电流限制．而当 U14 输出为高电平时，VT2 管的栅 极通过晶体管 V3 获得电压和电流，充电能力提高，因而开通速度加快．2.2 保护功能图 2 虚线框中，1N4744 是栅源间的过压保护齐纳二极管，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，如果是正方向的 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 管有内接的快恢复二极管．当不接 VD11,VD12,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．当下一个控制信号使 VT1 管关断时，负载绕组的续流电 流经 VT2 的内接快恢复二极管从地获取．此时，VT2 管的漏源电压即是该快恢复二极管的 通态压降，为一很小的负值．当 VT1 再次导通时，该快恢复二极管关断，VT2 的漏源电压 迅速上升，直至接近于正电源的电压+VS，这意味着 VT2 漏源间要承受很高且边沿很陡的 上升电压，该上升电压反向加在 VT2 管内的快恢复二极管两端，会使快恢复二极管出现恢 复效应，即有一个很大的电流流过加有反向电压的快恢复二极管．为了抑制 VT2 管内的快 恢复二极管出现这种反向恢复效应，在图 2 电路中接人了 VD11,VD12,VD13,VD14。

其中， 反并联快恢复二极管 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 MOSFET 管 VT1，VT2 内部的快恢复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 的情况是不允许存在的，否则将因同时导通 从而使电源直接连到地造成功率管的损坏；另外，根据步进电机运行脉冲分配的要求， VT1，VT2，VT3，VT4 经常处于交替工作状态，由于晶体管的关断过程中有一段存储时 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．若在此期间， 另一个晶体管导通，则造成上、下两管直通而使电源短路，烧坏晶体管或其他元器件．为 了避免这种情况，可采取另加逻辑延时电路，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．3 结论本驱动器电源驱动部分线路简单，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，并具有多种保护功能，实际使用中效果良好．来源：[]机电之家·机电行业电子商务平台！。