专利名称：脉冲调制式步进电机驱动电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子电路且更具体地涉及脉冲调制式步进电机的驱动电源。
本发明的主要目的是为广泛应用于数控等领域的步地电机提供一种体积小，重量轻，效率高，电路简单的高性能的驱动电源。步进电机采用本发明的驱动电源后，电动机的传动系统性能将得到极大地改善。
最初，人们采用的串联电阻式步进电机驱动电源尽管具有电路简单的优点，但由于驱动电源的效率太低，高频性能差而使用日趋减少。高低压式步进电机驱动电源尽管上限工作频率有所提高，效率也比串联电阻式驱动电源高;但是，它的控制电路复杂，并且需要两种不同电压的电源提供给电机线圈，从而影响了其发展。恒流斩波式步进电机驱动电源是一种性能较好的驱动电源，它的输出电流波形较好，效率也很高。可是，它的外围控制电路很复杂，且需多个功率管在电机线圈的周围，加大了功率开关管的驱动难度，并且无法驱动有公共接头的步进电机，从而限制了它的应用范围;另外，在恒流斩波式步进电机驱动电源中，当电机线圈里的电流被充到指定的电压值以后就一直保持在指定值附近直到关断信号到来。因此，从电机的最佳工作损耗上讲，恒流斩波式步进电机驱动电源的输出特性并未达到最佳工作状态。
根据本发明所提供的脉冲调制式步进电机驱动电源，它不仅具有优于恒流斩波式步进电机驱动电源的输出特性，而且具有串联电阻式驱动电源的简单。
根据本发明所提供的脉冲调制式步进电机驱动电源，它包括一个步进电机，几个与步进电机相数相同的电机驱动模块，无论步进电机是三相的，还是四相的或者是五相的，只要配备与之相相同数量的电机驱动模块，就可以使电机工作在最佳状态，而与电机工作的拍数无关。
在每一组电机驱动模块中，包括一个调制脉冲形成网络，一个由调制脉冲控制的开关管，一相步进电机线圈，一个由续流二极管和续流电阻构成的续流回路。
为了更详细地说明本发明及有关本发明的优点，现联系所附说明参考下列附图。
附
图1.为一个典型的四相脉冲调制式步进电机驱动电源构成方框图。
附图2.为本发明所提供的脉冲调制式步进电机驱动电源的某一组驱动模块的电原理图。
附图3.为附图2电原理图中的部分节点的电压波形和电机线圈的电流波形。
本发明的一种体现是将控制步进电机线圈通断的每一相输入信号(见附图1中的A，B，C，D和附图3-1)进行逻辑变换和处理，形成一组特定的调制脉冲(见附图3-5)，用这组特定的调制脉冲去触发控制线圈通断用的功率开关管就可以使流过电机线圈的电流波形达到所需的工作状态。脉冲形成网络主要由一个多谐振荡器，一个单稳态电路，一个两输入端与非门和一个两输入端与门以及一些电阻和电容器构成。由C1，C2，R1，R2，和U1构成的多谐振荡器其输出脉冲宽度可以通过调整可变电位器R2来实现。由C3，R3和U2A构成的单稳态电路的输出脉冲宽度可以通过改变可变电阻R3来实现。将多谐振荡器的输出脉冲信号(见附图3-2)和单稳态电路的输出信号(见附图3-3)分别送到与非门U3A的两个输入端，就可以在U3A的输出端得到如附图3-4所示的一组脉冲，将这组脉冲和控制步进电机线圈通断的相输入脉冲信号分别送到与门U4的两个输入端就可以得到所需的调制脉冲触发信号(见附图3-5)。
本发明的另一种体现是采用MOSFET管作驱动电机线圈通断的开关管Q1，由于MOSFET管具有增益高，开关速度快，高频损耗小，驱动简单和无二次击穿现象等优点，使开关管的工作频率可以做的很高，从而使流过电机线圈的电流变化的更平缓。当然，在步进电机功率太大等情况下，采用其它类型的开关管也可以，只要配上合适的开关管驱动电路即可。
本发明的另一种体现是继承了串联电阻式步进电机驱动电源简单的电路结构，即使用了单一的功率开关管Q1和线圈供电电压V0。所不同的是取消了高耗能的阻尼电阻，换上了阻抗很小的测量电阻R5，因此，它在工作中的能量损耗极小，并会在意外故障发生的情况下被首先击毁，从而对电机线圈和开关管均有一定的保护作用。在MOSFET管的栅极和电源地之间接了一个阻抗较高的下拉电阻R4，它对MOSFET管也具有一定的保护作用。
本发明的另一种重要体现是在每一相电机线圈的两端均并联了一个由续流电阻R6和续流二极管D1构成的续流回路。其中，续流二极管的作用是保证了只有开关管Q1关断后续流电路才起作用，续流电阻则是用来限制续流电流的大小和控制电机线圈L1中的充放电过程平衡后的电流大小值。
从附图3-5可以知到，施加在开关管控制栅上的第一个脉冲是由单稳态电路产生的，它具有较长的延迟时间，这样电机的供电电源就有一个较长的时间来对电机线圈L1进行充电，直到第一个脉冲结束。因此，只要改变单稳态电路的输出脉冲宽度，即改变可变电位器R3值的大小，就可以得到一个合适的线圈电流初始响应值。如果，步进电机的上限工作频率较高，就可以适当延长单态电路的输出脉冲宽度，使线圈电流初始响应值较高。当然，在电机线圈耐压允许的条件下适当提高电机的供电电压，就可以使电机线圈的充电电流上升时间更短、更快，反之，则可以适当降低电机的供电压，或缩小单稳态电路的输出脉冲宽度，使电机线圈的电流上升较平缓。
当第一个调制脉冲结束后，由多谐振荡产生的脉冲信号就会不断地触发和关断开关管Q1，它将对步进电机线圈里的电流产生怎样的影响呢？实验和理论都证明了随着充放电脉冲的不断增加电机线圈里的电流值将趋向一个稳定的电流平衡值。假如在电机供电电压值不变的情况下，步进电机线圈里电流的平衡值大小仅由放电回路里的续流电阻和多谐振荡器输出的脉冲宽度有关。
电工理论指出，电感的充放电速度与其充放电回路的时间常数有关，电感回路的时间常数等于L/R;并且，时间常数越大，充放电速度越慢，反之亦然。因此，在其它条件不变的情况下，增大续流电阻的阻值，即减小了时间常数L/R，这时，电感的放电速度加快，使步进电机线圈里的电流平衡值下降，反之亦然。如果我们保证在其它条件不变的情况下，增大第二个及第二个以后所有触发脉冲的宽度，即使充电时间大于放电时间，从本质上讲，这只是等效于增加了电感回路的时间常数L/R，使充电时间加快，从而使步进电机线圈里的电流平衡值上升，反之亦然，所以说，在步进电机供电电压确定下来以后，只要适当地调整多谐振荡器和单稳态电路输出的脉冲宽度和续流电阻值的大小，就可以使流过步进电机线圈里的电流波形达到最优状态。
权利要求
1.一种脉冲调制式步进电机的驱动电源，它包括一个步进电机，几个与步进电机相数相同的电机驱动模块，其特征在于无论步进电机是三相的，还是四相的或者是五相的，只要配备与之相相同数目的电机驱动模块，就可以使电机正常工作，而与电机工作的拍数无关。
2.根据权利要求1的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于在每一组电机驱动模块中，包括一个调制脉冲形成网络，一个由调制脉冲控制的开关管，一相步进电机线圈，一个由续流二极管和续流电阻构成的续流回路。
3.根据权利要求1或2的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于脉冲形成网络主要由一个多谐振荡器，一个单稳态电路，一个两输入端与非门和一个两输入端与门以及一些电阻和电容器构成。
4.根据权利要求1，2或3的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于多谐振荡器的输出脉冲宽度可以通过改变可变电位器R2值来实现。
5.根据权利要求1至4的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于单稳态电路的输出脉冲宽度可以通过改变可变电阻R3值来实现。
6.根据权利要求2至4的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于将多谐振荡器的输出脉冲信号和单稳态电路的输出信号分别送到与非门U3A的两个输入端，就可以在U3A的输出端得到一组脉冲，将这组脉冲和控制步进电机线圈通断的相输入脉冲信号分别送到与门U4A的两个输入端就可以在U4A的输出端得到所需的调制脉冲触发信号。
7.根据权利要求1至6的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于仅采用了唯一的一个MOSFET管作为驱动电机线圈通断的开关管Q1。由于MOSFET管具有增益高，开关速度快，高频损耗小等特点，使开关管的工作频率可以做的很高，从而使流过电机线圈的电流变化的很平缓。
8.根据权利要求1，2或7的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于使用了单一的步进电机线圈供电电压V0。在电机线圈耐压允许的条件下适当提高电机的供电电压，就可以增加电机的上限工作频率。
9.根据权利要求1，2，7或8的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于取消了串在电机线圈回路中的高耗能阻尼电阻，换上了一个阻抗很小的测量电阻R5，它在工作中的能量损耗极小。在MOSFET管的栅极和电源地之间接了一个阻抗较高的下拉电阻R4，它对MOSFET管具有一定的保护作用。
10.根据权利要求7，8或9的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于在每一相电机线圈的两端均并联了一个由续流电阻R5和续流二极管D1构成的续流回路。其中，续流二极管保证了只有开关管Q1关断后续流电路才起作用，续流电阻则是用来限制续流电流的大小和控制电机线圈L1中的充放电过程平衡后的电流平衡值的大小。
11.根据权利要求1至10的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征还在于在步进电机供电电压V0确定下来以后，只要适当地调整多谐振荡器的输出脉冲宽度和续流电阻值的大小，就可以使流过步进电机线圈里的电流平衡值达到指定状态。
12.根据权利要求1至11的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于只要适当地调整单稳态电路的输出脉冲宽度，就可以改善电机线圈充电电流速度，配合电机供电电压V0，适当调整多谐振荡器输出脉冲宽度和续流电阻值的大小，就可以使流过步进电机线圈里的电流波形达到最优状态。
13.根据权利要求1至12的脉冲调制式步进电机驱动电源，其特征在于驱动开关管的调制脉冲波形是一组特定的脉冲(如图3-5)，其中，第一个脉冲较宽，其余的较窄，但频率较高。
14.根据权利要求1至13的脉冲调制式步进电机驱动电源。其特征在于作为驱动电机线圈通断的开关管Q1。可以采用其它类型的开关管，只要配上合适的开关管驱动电路即可。
全文摘要
一种脉冲调制式步进电机驱动电源，它包括一个步进电机和几个与步进电机相数相同的电机驱动模块、在每一组电机驱动模块中包括一个调制脉冲形成网络，一个由调制脉冲控制的开关管，一相步进电机线圈和一个由续流二极管及续流电阻构成的续流回路。它不仅具有效率高的特性，而且具有优于恒流斩波式步进电机驱动电源的输出特性和具有串联电阻式驱动电源的简单。
文档编号H02P8/00GK1093841SQ9311076
公开日1994年10月19日 申请日期1993年4月14日 优先权日1993年4月14日
发明者刘建强 申请人:刘建强