混合式功率步进电动机的新型驱动电路

    王宗培  孙礼明(哈尔滨工业大学150001)

    【摘  要】根据功率型混合式步进电动机目前常用的buck型升频升压驱动和单电压桥臂斩波驱动两种驱动系统运行的特性，提出了一种升频升压型．pwm恒相流斩波驱动方式。这种新型驱动电路解决了这两个系统的平稳性与快速性的矛盾。文中给出了电路参数的设计方法及实验结果。

l引  言

    功率型混合式步进电动机，一般相绕组电流较大，不适宜采用串电阻限流等简单的驱动电路，目前常用的主要是buck型升频升压驱动和单电压桥臂斩波驱动。采用buck型升频升压驱动方式时，功放桥的电压跟随cp脉冲频率的变化，低频时电压低，相绕组电流波形的前、后沿变化较平缓，电机转子向新的稳定平衡位置运动的过冲小，或没有过冲，角速度振动不明显，表现出运转平稳和噪声小；但是另一方面，buck型降压器的主电路中含有一个lc低通滤波电路，目的是滤除载波分量，使功放级也即绕组的电压波动小，由于该滤波器的带宽有限，对于突变讯号有较大的衰减，使得系统的响应速度较慢，致使极限升降频速度较慢，以及起动频率较低。桥臂斩波驱动方式，由于直接对桥臂斩波，少一个滤波环节，因此系统的响应速度快，极限升降频时间短，起动频率较高。但是由于在低速运行时功放桥也是加的高压，使得绕组电流变化加快，转子运动过冲加大，角速度振动明显，表现出运转平稳性较差和噪声增大。以上对两种不同驱动方式特点的分析，明显表现出系统的快速性和运行平稳性的矛盾。

    本文将上述两种驱动方式的特点结合起来，提出一种新的“升频升压型pwm恒相流斩波驱动方式”。该驱动方式因为有恒相流控制，所以功放级的电压随频率上升快一些也不会引起过电流，升频升压快一些，绕组电流的变化(前后沿)加快，电动机的快速性提高，但平稳性下降，从而可以根据系统工作的实际要求调节升频升压曲线，使得既满足系统快速性的要求，又运转较为平稳。同时，由于恒相流控制可以消除转子角速度波动引起绕组电流波动，也有利于改善电动机的运行特性。新驱动方式的恒相流部分采用各相绕组同频率同相位的pwm斩波控制，消除了因绕组耦合产生差拍讯号而引起的电磁噪声。该驱动系统结构简单，功能模块化，调试极为方便，现已产品化，本文介绍由哈杭电伺服技术研￡所生产，应用于130和200机座大转矩的三相、五相和九相混合式步进电动机的驱动器的原理和设计特点。

2新型驱动系统的工作原理

    图1表示升频升压pwm恒相流斩波驱动电源的原理框图。步进脉冲讯号输入：一路到环形分配器，其输出直接控制功放桥的开关元件，使步进电动机的通电状态按一定的逻辑顺序转换；另一路到升频升压pwm脉冲生成电路，它输出pwm脉冲的占空比d是cp脉冲频率的某一函数，函数关系根据对电动机快速性的要求和对运行平稳性的考虑折衷确定，该pwm脉冲控制buck变换器，它的输出就是功放桥的工作电压。功放桥的下桥臂也处在pwm斩波控制状态，使相电流限定在极限值(或额定值)范围内。由于绕组电路的电压由升频升压的函数确定，所以为了提高电动机高速运行性能而提高功放级的全导通电压时，也不会影响电动机低速运行的平稳性；由于相绕组电流有限定控制，所以升频升压的函数可以适当调节，电压上升得稍快一些，也不会引起过电流，只会影响电流波形的前后沿，使电流变化加速，电动机的动态响应改善。

3 buck变换器参数的设计

    buck变换器的电路结构如图2所示。开关管可根据功放桥所要求的电压及所需提供的电流的大小选定。图中将作为变换器负载的功放桥和电动机等效成一个电流源，用io表示；滤波电感lo和滤波电容co的值，对驱动系统的工作有一定的影响，所以对其参数的选择较为重要。

文献1针对以步进电动机为负载的buck变换器，给出l。和co的计算公式，并认为lo的求取应使电路工作在连续导电模式下，即lo的值应大于所求取的临界电感。但是步进电动机的总电流和占空比随着负载和运行频率变化，算出的临界电感便有不同值，且在某一占空比时(对应某一运行频率)有一****电感量。取该电感量时，滤波环节的惯性偏大，产生二方面的影响，一是影响动态运行性能，使稳态输出和响应速度都有所下降；二是对振荡的影响，电机振荡需要吸收能量时，若电感量较大有足够的储能随时可以提供，有时也会导致振荡加剧，而且在工程上形成该电感比较困难，一般采用****电感量的线性电感，或利用铁氧体的饱和特性近似形成该电感，这与步进电动机要求高频时惯性环节减小相