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時代超群三相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動線路(WTH)
2020年10月22日

三相步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動電路

錢振宇(上海電器科學(xué)研究所)

     隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,特別是計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)作為一種伺服電動機(jī)得到了日益廣泛的應(yīng)用。在一個自動控制系統(tǒng)中將一些數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線位移或角位移是必不可少的,而步進(jìn)電動機(jī)的工作特點正好能夠滿足這種要求,因此它常常在控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件和功率驅(qū)動元件。

     步進(jìn)電動機(jī)的優(yōu)點十分顯著,但也有一些不足的地方,例如步進(jìn)電動機(jī)是通過對序列脈沖的控制來工作的,每走一步都要產(chǎn)生一定的振動和噪音,特別是工作在低頻段時,這種振動會影響加工工件的表面光潔度。為了使步進(jìn)電動機(jī)也能象連續(xù)運轉(zhuǎn)的伺服電動機(jī)一樣平滑地運轉(zhuǎn),就要減小步進(jìn)電動機(jī)的步距角,但是小步距角的步進(jìn)電動機(jī),機(jī)械加工困難。為此,從驅(qū)動線路著手,發(fā)展了一種稱為細(xì)分的驅(qū)動方法。本文介紹一種采用集成化的HF-2步進(jìn)電動機(jī)環(huán)形分配器專用電路構(gòu)成三相十八拍細(xì)分驅(qū)動的線路(如有必要,利用文中線路的原理可構(gòu)成細(xì)分量更大的線路)。

1HF-2三相六拍制環(huán)形分配器專用集成電路規(guī)模集成電路

   HF-2環(huán)形分配器是一種采用TTL的集成電路,主要優(yōu)點是HF-2是一個中規(guī)模集成電路,全部分配器線路集成在一個管芯之中,有利于提高系統(tǒng)的可靠性;使用的電源電壓為5V,可直接與現(xiàn)時的小型或微型計算機(jī)系統(tǒng)相配合;電路輸出級的驅(qū)動能力較強(qiáng),在與后級功率放大器配合時,可簡化功放電路的設(shè)計;分配器的邏輯設(shè)計充分考慮了用戶的各種要求,具有接線多樣,使用靈活的特點。

    HF-2環(huán)形分配器的邏輯圖以及波形圖分別如圖l和圖2所示。

  

   HF-2環(huán)形分配器是-種采用TTL的位/復(fù)位控制端,是一個低電平的作用信  號,可使線路中的觸發(fā)器OA置“l(fā)”,而使Q B和Qc置“D”,在線路正常工作時,此端應(yīng)保持高電平。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)控制端。當(dāng)輸入信號為高電平時,分配器正轉(zhuǎn);為低電平時,分配器反轉(zhuǎn)。嵌甩時,磁與步進(jìn)電動機(jī)控制接口中的方向位相連。

    CLOC尺為時鐘脈沖輸入端。線路在輸入脈沖的上升沿作用下可完成一步、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的操作。

    脈沖的允許輸入端。從圖l中可知,只要這兩個信號中有一個是低電平,就可使時鐘脈沖作用到線路中三個觸發(fā)器的CP端。則可讓兩個EN ABLE端子自相連接后,再與BUSY相連,或者讓其中的一個前ABLE輸入端子接在+ SV線上)。

    INHIBIT為禁止輸幽的控制端子。一旦此信號變?yōu)楦唠娖綍r可使分配器的三個輸出管子全部處于截止?fàn)顟B(tài)。此時只要后級電路的連接得當(dāng),可使步進(jìn)電動機(jī)三相繞組全部處在無電流通過的狀態(tài)。這個端子可使用戶在調(diào)機(jī)中,或作為系統(tǒng)的限位保護(hù)等帶來方便;此外,這個端子還可解決系統(tǒng)中那些暫時不用的步進(jìn)電動機(jī)的能耗問題。線路正常工作時,此輸入端應(yīng)保持低電平。

  環(huán)形分配器的三組輸出。這些輸出端子并不是從線路觸發(fā)器直接引出的,而是經(jīng)過了一級受到INHIBIT詹號控制的與門和一食集電極和發(fā)射極均開路的三極管才給以輸出。這種處理方法提高了分配器的抗干擾能力,所以有利于提高整個系統(tǒng)的可靠性。

    由于QA~Qc這三組輸蹴管采用集電圾和發(fā)射極均開路的形式,加上驅(qū)動能力又比較大(按設(shè)計能力可達(dá)到30mA),這就為HF-2環(huán)形分配器以不同的接線方式與后級功率放大器的連接創(chuàng)造了條件。圖3畫出了幾種用HF-2環(huán)形分配器與后級電路的連接實例。其中圖3a用于相電流較小的電動機(jī);圖3b和圖3c則適用j二相電流較大的電動機(jī);圖3d的雙地接線方式可提高系統(tǒng)的抗干擾能力,圖中控制電路與功率驅(qū)動電路分屬兩食地線系統(tǒng),中間通過光電耦舍器件進(jìn)行線圈連接。

2三相十八拍細(xì)分電路

    所謂細(xì)分電路,就是在控制電路上采取一定的措施把步進(jìn)電動機(jī)的每一步再分得細(xì)一點。以三相步進(jìn)電動機(jī)為例,如選用的電動機(jī)的步距角為3度/1.5度(三相三拍工作時的步距角為3度,三相六拍工作時的步距角為1.5度),則采用三相十八拍的細(xì)分驅(qū)動后,可使每一拍的驅(qū)動步距減為0.5度。步進(jìn)電動機(jī)在細(xì)分狀態(tài)下由于步距角變小,使轉(zhuǎn)子到達(dá)新的穩(wěn)定點上時所具有的功能也變小,從而振動顯著減小。細(xì)分電路不但可以實現(xiàn)微量進(jìn)給,而且可以保持系統(tǒng)原有的快速性,也提高了步進(jìn)電動機(jī)在低頻段運行的平滑性。此外,采用細(xì)分電路后,電動機(jī)繞組中的電流不是由零躍升到額定值,而是要經(jīng)過若干小步的變化才能達(dá)到額定值,所以繞組中的電流變化比較均勻。

    圖4給出了以三片HF-2電路為核心構(gòu)成的三相十八拍細(xì)分驅(qū)動線路。

 

     

    圖4線路的關(guān)鍵在于三片HF-2電路 的時鐘脈沖通過一個移位寄存器進(jìn)行分配。輸入脈沖的第1、4、7……被接到l號分配器;輸入脈沖的第2、5、8.…“被接到2號分配器;輸入脈沖的3、6、9……被接到3號分配器,因此這三個分配器各對應(yīng)相的輸出波形依次要滯后一拍,見圖5所示。步進(jìn)電動機(jī)每一組繞組的通電情況同事受到是是三個分配器對應(yīng)輸出端的控制。由于三個功率放大器的通電狀態(tài)在時間上有先后不同,因此電動機(jī)每一相電流的波形就是三個功率放大器所提供驅(qū)動電流的迭加,如圖6所示。

 

    線路設(shè)計中的主要技巧是如何鋸決對驅(qū)動脈沖起分配作用的移位寄存器74L S194的控制。從圖4可看到,當(dāng)ES ET/SET為“0”時(初始狀態(tài)的設(shè)定),74LS194的So和Si均為“l(fā)”。查真值表可知,74LS194將在其時鐘脈沖一種三相步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)分驅(qū)動電路的作用下(對鐘脈沖利用R ES ET/SET從高電平變低的瞬變經(jīng)微分后形成)使QA、QB、Qc分別置成l、O、O,為移位寄存器向l號環(huán)形分配器輸送驅(qū)動脈沖作準(zhǔn)備。但是環(huán)形分配器取用驅(qū)動脈沖的上升沿;而74LS194取用驅(qū)動脈沖的下降沿(經(jīng)倒相后解決與74LS194的配合),兩者相差半拍,這樣在驅(qū)動脈沖的上升沿使相應(yīng)的環(huán)形分配器走過一步,而在驅(qū)動脈沖下降沿的形成過程中使74LS194移過一位,為下一次驅(qū)動脈沖分配作好準(zhǔn)備;陬愃频脑,當(dāng)方向位FORW ARD/BACKW ARD切換的時候,要預(yù)先使74LS194移過一步(移位方向由FORW ARD/BACKW ARD決定),  為此在線路中安排了將FORW ARD/BACKW ARD韻瞬變(包括上升沿與下降沿)產(chǎn)生一個寺供74LS194使用的時鐘脈沖。只是有一點要特別指出的,即要先準(zhǔn)備好移位條件,然后再產(chǎn)生時鐘脈沖,為此在時間上要有一點滯后,在線路中用RC延遲產(chǎn)生。

    最后,由于步進(jìn)電動機(jī)每一相電流是三個功率放大器共同作用的結(jié)果,當(dāng)一相繞組完全通電時,三個功率放大器各提供三分之一的相電流,據(jù)此可以選擇適用的功率晶體管及限流電阻。由于新的線路設(shè)計方案的總功率與傳統(tǒng)線路相當(dāng),所以電動機(jī)驅(qū)動部分的體積并不一定比傳統(tǒng)線路更大。相反,由于單個功放電路的電流減小了(減至傳統(tǒng)線路的三分之一).所以功率管的選擇、功率管與分配器之間的匹配等更易得到解決。限流電阻也不崩選擇大瓦數(shù)的線繞電阻,可選用較小功率的線繞電阻。

3細(xì)分量的擴(kuò)展

    利用圖4線路的設(shè)計原理,不難設(shè)計出其他小步距角的驅(qū)動線路。HF-2環(huán)形分配器的使用數(shù)目與每一拍所移動的角度關(guān)系如附表所示。


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