专利名称：功率步进电动机驱动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种功率步进电动机调频调压驱动装置。
目前，现有的步进电动机驱动电路，一般都采用锯齿波发生器、电压变换器及比较器、电压调节器、驱动电路、工作脉冲发生器、电源、步进电动结构。此种电路虽然能使步进电动机的性能得到较好的发挥，但其线路复杂、调整困难、可靠性不高。且由于一般工作频率不高，因此所需电感较大，也增加了结构的复杂性。电机线圈的驱动均采用双极性或单极性驱动方式，双极性驱动虽然可减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性，但所需大功率晶体管较多，增加了控制的复杂程度，成本也大为提高。单极性驱动所用大功率晶体管虽然少些，但电机运行的平稳性不高。
本实用新型的目的是要提供一种结构简单并且可靠，成本较低，电机运行平稳，分辨率高，输出力距大，电机绕组驱动方式采用桥式驱动的，所用电感较小的步进电动机驱动装置。
本实用新型的技术方案是该装置包括直流电源、电压调节器、驱动电路、工作脉冲发生器、步进电动机，其特点是在电压调节器与驱动电路之间还连接有一电流检测电路，其输出端与调节脉冲发生器的输出端经调节信号合成器后输入至电压调节器的输入端；组成恒流型调频调压电路。
该装置的特点是驱动电路与步进电机绕组的连接为桥式连接，即绕组A与绕组B串联后分别与A相驱动电路的上管a下管 间的接点、B相驱动电路的上管b下管 间的接点相连接(其它相相同)；步进电机绕组为星形连接。
该装置的特点是在驱动电路中还装有一过流检测电路，过流检测电路的输出端接入调节信号合成器的输入端。
本实用新型的优点是由于该装置无锯齿波发生器和比较器，所经结构大为减化，调整方便。由于工作频率较高(50KHZ－80KHZ)，大大减小了附加电感的容量，同时电动机驱动方式采用桥式驱动，因此在其它条件相同的情况下，能获得更小的步距角，使电动机有更高的分辨率，从而提高了电动机运行的平稳性，拓宽了运行频域，改善了运行性能，提高了可靠性。由于电动机的绕组为星形连接，对于N相电机只需N个引出端、2N个大功率管，所以结构简单。由于本装置采用高压供电(220－250V)，所以高速时同样可以获得足够的输出转距。又由于过流检测和过流保护的作用，使该装置的可靠性、稳定性进一步加强。
图1为本实用新型结构示意图。
图2为桥式驱动结构图。
图3为实施例结构图。
如图3，直流电源＋U3供电电压为220－250V。电压调节器由大功率三极管DB3(IGBT)及其周围元件三极管DB1、DB2、及R6、R7、R8、D4、R9、D5、C3组成。调节脉冲发生器由时基电路555及外围元件R1、R2、D1、C1、C2组成，其脉冲频率为50KHZ(可达80KHZ)，调整R2使555输出脉冲低电平占空比小于T／10。调节信号合成器由U1(D触发器74ls74)及D2、D3、D10组成。电流检测电路由电压比较器U3(LM339)及R10、R5、R13及D6、D7组成。
由R5、R13分压给电压比较器U3提供一个恒定的电流参考电位Up(根据步进电机额定电流及绕组通电方式可调)，步进电动机工作时的总电流在电阻R10上产生压降Un。当电机工作电流小于额定值时Up＞Un，比较器U3输出高电平。调节脉冲发生器555输出信号接至调节信号合成器U1(D触发器)清零端，每当调节脉冲为低电平时，D触发器输出低电平，经U2隔离整形后给三极管DB2基极提供一个低电平使之截止。DB2截止为三极管DB1基极提供一个高电平使之导通，DB1导通后给调整管DB3栅极提供一个高电压使DB3导通，电源通过DB3、R10、D8、LM向步进电机供电。当电机工作电流大于额定值时，其在R10上产生的压降增大，使Un点电位升高Un＞Up，使得比较器U3输出低电平，进而使调节信号合成器U1的置1端控制电位Um变低有效，U1(D触发器)输出高电平，经U2隔离整形后使DB2导通、DB1截止，调整管DB3栅极电位变低而截止，电源关断，工作电流下降使Up＞Un。此关断状态一直维持到调节脉冲发生器输出下一个低电平信号为止。调节脉冲发生器的低电平脉冲使DB3又重新导通，如此周而复始的工作。图3中电感LM、C5组成滤波电路。由于DB1工作频率较高，从而LM可以选的较小。二极管D11可将电路主回路中瞬时高压反馈回电网，以提高系统的可靠性。
工作脉冲发生器(如计算机等)给出的工作脉冲经光电隔离器Ug－1、Ug－2接入驱动电路，分别控制每相的上、下驱动管。在光电隔离器Ug－1、Ug－2与驱动电路间还分别接有二个三端与非门Ua11和Ua12，其三个输入端中除一个分别与各自的控制信号相接外，另一个输入端还与另一信号的反相信号相接。如Ua11的一人输入端除与Ua信号相接外，另一个输入端还与Ua的反相信号相接。CA1及RA4、CA2及RA3组成延时电路。上述接法保证了在下管导通之前先关断上管、上管导通之前先关断下管，从而避免了上、下管同时导通造成短路故障。同时Ua11与Ua12的另一输入端还与过流检测电路的输出端相接。驱动电路为上、下管驱动电路，三极管DBA4及其周围元件三极管DBA3、DBA2、DBA1等组成上管，三极管DBA8及其周围元件DBA6、DBA7、DBA5等组成下管。二极管DA8、DA7为续流二极管。驱动电路为现有技术不再详述。
为了提高本驱动电路工作的可靠性，驱动电路的下管供端N点(见图3)经电阻R17后接驱动电源地端，利用R17进行过流检测，步进电动机的工作电流经R17产生压降，当工作电流大于一定值时，光电隔离器U7输出端为低电平，强制调节信号合成器Um点电位变低，如前所述，使电压调节器IGBT关断，阻止工作电流继续上升。同时为了防止IGBT失控等意外情况发生，本电路采取了过流保护措施。过流保护电路由电压比较器LM339(U5)、单向可控硅SCR以及电阻R21、R22、R18、R20、R19发光二极管D2和反向器U6组成，电压比较器负输入端接一基准电位(＋U6)(根据保护电流的大于可调，本电路中为1.2V)在工作电流正常状态R17上的压降，在U5正输入端产生的电位Vp小于基准电位(＋U6)，因此比较器U5输出电压为低，由于U5的输出直接与可控硅SCR控制极相连，故SCR处于关断状态，使M点电位为高，经74LS04(U6)隔离整形，输到上、下功率管控制端Ua11、Ua12的电位为高，Ua11、Ua12采用的是三输入端的与非门。当电机产生过流并大于一定值时，电阻R17上产生的压降使U5正输入端Vp电位大于基准电位(＋U6)，比较器U5输出电压立即翻转成高电位，触发可控硅SCR导通，使M点电位变低，经74LS04(U6)隔离整形，输到上、下功率管控制端Ua11、Ua12的电位为低，至使Ua11、Ua12的输出变高，使DBA1、DBA5立即截止，从而把上、下功率管一起关断，切断电机绕组电源，阻止故障电流增大。这时工作电流降低为零，R17的电压降为零，使比较器正输入端Vp电位为零，Vp＜＋U6，比较器U5输出变低，这时虽然可控硅SCR控制极电位降低，但由于可控硅维持电流的作用，SCR继续导通，使整个系统保持关断状态，同时故障信号经光电隔离器U4向计算机输出，计算机作相应处理。D1发光二极管亮，作为故障提示，故障排除后，按恢复按钮AN1使可控硅维持电流为零，可控硅关断，系统进入正常工作。
在本驱动电路中，Us信号为步进电机停机锁定时的半电流信号，由计算机给出。当步进电动机停机时，为使电机准确定位，需对步进电机进行锁定，而锁定电流约为额定工作电流的一半或更小些，故电机停机时，计算机给出Us信号，给光电隔离器U7使电流参考点Up电位下降。使工作电流为额定值的1／2时，Up＜Un，比较器U3输出低电平。如前所述，使调整管IGBT截止电流关断，皮关断状态一直维持到调节脉冲发生器输出下一个低电平信号为止。
如图2(以三相电机为例)，三极管a、 为A相的上、下驱动管，b、 为B相的上、下驱动管，c、 为C相的上、下驱动管。绕组AA′、BB′、CC′分别A、B、C三相步进电机的绕组，三相绕组为呈形连接，其三个引出端分别接于A、B、C三相驱动电路的上、下管中点。绕组AA′、BB′串联后与A相及B相驱动电路相接，BB′与CC′、AA′与CC′亦是如此。图3中DBA4与DBA8为A相上、下驱动管。DBB4与DBB8为B相上、下驱动管。DBC4与DBC8为C相上、下驱动管，DB为三相步进电机，其接法与上述相同。此种接法，对于N相电机只需N个引出端。2N个大功率管，较之于双极性驱动电路，接线端数及大功率管的数量都大为减少。这种接线方式不但减少了大功率管的使用，简化了电路，而且工作性能有所提高。在硬件环境相同的情况下，只需改变软件不同的脉冲分配方式，就能得到步进电机不同的步距角，分别达到细化、加速等目的。以三相电机为例，当采用三相三拍时，脉冲分配方式为 ，得到的步距角为电气角度的1／3。当采用三相六拍时，脉冲分配方式为 ，得到的步距角为电气角度的1／6。当采用三相十二拍时，脉冲分配方式为 ，得到的步距角为电气角度的1／12。在步进电机运行过程中，当需要高速时可采用三相三拍方式，用大的步距角来实现。当需要低速加工或精确定位时，可采用三相十二拍方式，用细化的步距角来提高加工或定位精度。
电气原器件参数R1——电阻470Ω1／8WR2——电阻4K71／8WC1——电容3300PC2——电容0.01μD1——二极管2CK84R3、R4——电阻2K71／8WD2、D3、D4、D10、D6、D7、Da1、Da2、Da3、Da4——二极管2CK84U1——74LS74Ua3、U2——74LS35DB1——三极管C1008DB2——三极管C1008DB3——IGBT20A／600VU5、U3——LM339(电压比较器)WD——稳压管0.3A／12VR6——电阻4K71／8WR24、R7——电阻300Ω1／8WR8——电阻200Ω1／8WR9——电阻2K71／4WR10——电阻0.1Ω10WR11——电阻2K71／4WR12——电阻10K1／4WR13——电阻510Ω－200ΩR14——电阻300Ω1／8WR5——电阻2K7U4——光电隔离器TLP521－4D5——快恢复二极管6006C3——电容0.1μ／400VD8——快恢复二极管6006L1——电感30mH
D11、D9——快恢复二极管6006C5——电解电容470μ／400VC4——电容0.1μ／400VRa1、Ra2——电阻2K71／8WRa3、Ra4——电阻200Ω1／8WCa1、Ca2——电容0.1μU6、Ua4——74LS04Ua1——74LS10Ua2——74LS06DBa1、DBa3、DBa6——三极管MJE13003DBa2——三极管MPSU60DBa5、DBa7——三极管9012DBa4、DBa8——达林顿管MJ1001Ra8、Ra10、Ra5——电阻1.1K1／4WRa13、Ra9、Ra12、Ra11——电阻300Ω1／4WRa6——电阻1K1／4WRa7——电阻2K71／4WRa15、Ra14——电阻510Ω1WCa5、Ca6——电容0.1μ／400WDa6、Da9——快恢复二极管3006Da7、Da8、Da5——快恢复二极管6006R17——电阻0.1Ω10WR16——电阻47Ω1／4WR15——电阻2K71／4WR18——电阻100Ω1／8WR23、R19——电阻200Ω1／8WR21、R20——电阻1K1／8WSCR——可控硅0.3A100VDL——发光二极管R22——电阻510Ω1／8WBD——三相混合式步进电机
权利要求1.一种功率步进电动机驱动装置，包括直流电源、电压调节器、驱动电路、工作脉冲发生器、步进电动机，其特征在于电压调节器与驱动电路之间还连接有一电流检测电路，其输出端与调节脉冲发生器的输出端经调节信号合成器后输入至电压调节器的输入端，组成恒流型调频调压驱动装置。
2.如权利要求1所述的一种功率步进电动机驱动装置，其特征在于驱动电路与步进电动机绕组的连接为桥式连接，即绕组A与绕组B串联后分别与A相驱动电路的上管a下管 间的接点，B相驱动电路的上管b下管 间的接点相连接(其它相相同)；步进电机绕组为星形连接。
3.如权利要求1或2所述的一种功率步进电动机驱动装置，其特征在于在驱动电路中还装有一过流检测电路，过流检测电路的输出端接入调节信号合器的输入端。
专利摘要一种功率步进电动机驱动装置，包括直流电源、电压调节器、驱动电路、工作脉冲发生器，其特点是该装置还有电流检测及保护电路、调节信号合成电路。驱动方式为桥式驱动，电机绕组为星形连接。调整管工作频率为50KHz—80KHz，利用调节脉冲和电流检测的电平信号调制调整管工作脉冲宽度，达到调频调压的目的。还可利用软件改变工作脉冲分配方式，灵活细化或加大电动机步矩角，以提高步进电动机的高、中、低速运行性能。
文档编号H02P8/00GK2192100SQ9322326
公开日1995年3月15日 申请日期1993年9月10日 优先权日1993年9月10日
发明者赵光宇, 陈浩, 赵峰, 郑丹莉 申请人:青海省电脑自动化公司