发布时间 : 星期二 文章高精度步进电机控制系统毕业设计更新完毕开始阅读19b88a5977232f60ddcca1dc
***大学毕业设计（论文）
阻电路的电气特性。在t = 0时刻，电压V施加到该电路上时，电路中的电流变化规律为：
I?t??VR(1?e?RLt) (3-l)
通电瞬间绕组电流上升速率为：
di(0)dt?VL (3-2)
经过一段时间，电流达到最大值：
Imax?VR (3-3)
??L/R定义为该电路的时间常数，?是电路中的电流达到最大电流Imax的63%所需
要的时间。在t = t1时刻，电路断开与直流电压源V的连接，并且短路，电路中的电流以初始速率?V/L开始下降，电流变化规律为：
I(t)?VRe?RL(t?t1) (3-4)
不同频率的矩形波电压施加到该电路上，电流波形如图3-2所示。低频时电流能够达到最大值(a)；当矩形波频率上升达到某一临界频率，电流刚达到最大值就开始下降(b)；矩形波频率超过此临界值后，绕组中的电流不能达到最大值(c)。因为步进电机转矩的大小与绕组的电流成正比，所以电机低速运行时，电机能够达到其额定转矩，而在某一特定频率以上运行时，绕组电流随着频率的提高逐渐下降，电机转矩也相应逐渐减小，从而降低了高速运转时带负载能力。
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图3-2不同频率脉冲作用下电感—电阻电路的电流波形
Figure 3-2 Under different frequency pulse inductor - the circuit's current waveform resistance
要改善电机高速运行时的性能，有两种办法:提高电流上升速度V/L和减小时间常数L/R；可以通过加大绕组的电压从而增加电流上升的速率得时间常数。或者在电路中串联电阻，使L/R减少。
3.4 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较
与反应式和永磁式相比，混合式步进电机运行特性具有很多优点，在国外已是步进电机系列的主流。混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路拓扑结构和驱动方式。根据主电路结构的不同可分为单极性驱动、双极性驱动、全H桥和多相桥驱动;根据驱动方式的不同又可分为单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动、电流细分驱动等。
3.4.1 双极性驱动器与单极性驱动器
混合式步进电机要求双极性供电，也就是要求电机励磁绕组有时通正向电流，有时通反向电流。在步进电机发展的初期，电子技术发展水平有限，为了简化驱动电路，采用单极性电路。将电机绕组采取双线并绕，一相绕组分成二相，其中之二正向通电，另一则反向通电，这样可单极性供电而达到正、反向励磁的目的(图3-3)。最简单的两相电机单极性驱动电路，只要用四个功率开关管，结构简单，成本低，电机的绕组在同一时间只能有一半通电，因此绕组的电感小，有利于电机的高速性能；缺点是每次只使用了绕组的一半，中低速运行时转矩不如整个绕组励磁的电机。而且电机引线过多，两相电机需要六个引出端，三相电机需要9个引出端，五相电机则需要15个引出端，使得单极性驱动器与三、五相电机之间连线太复杂，因此仅用于两相混合式步进电机。
随着电子技术的发展，电子元器件价格的降低，双极性驱动电路的实现变得容易，成本也增加不多，因此现在绝大多数混合式步进电机使用双极性驱动洁对电机绕组双向供电 的典型结构是H桥式电路，如图3-4所示。当开关管T1，T4导通、T2，T3截止时，电
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ML+VLQ1Q2Q3Q4
图3-3 单极性驱动电路 Figure 3-3 Unipolar drive circuit
流经T1、电机绕组和T4到地；Tl，T4截止、T2，T3导通时，电流经T3、电机绕组和咒T2地;可见电流方向相反。Dl，D2，D3和D4四个二极管组成续流回路。电机每一相绕组需四只开关管驱动，驱动器成本比较高。电机的相数增多时，H桥式电路需要功率管数多的缺点较为突出，例如五相电机就需要20只功率管。
T1D1T3D3T2D2T4D4
图3-4 H桥驱动电路 Figure 3-4 H bridge driver circuit
多相桥式电路，也叫多相半桥电路，这种电路比H桥减少了一半的晶体管，降低了驱动器的成本、体积和发热。采用多相桥式电路时，电机相绕组间通常为星形或多边形联接，图3-5是三相混合式步进电机绕组二种联接的例子。星形接法时，二相绕组串联起来
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一起跨接到功放电源上，每相绕组的端电压大约只有功放级电压的一半，因此系统运行的高频特性和动态性能，比用H桥式驱动电路时低。如果想要获得与H桥驱动相近的性能，则绕组的匝数应减半或加倍相绕组的电压。电机绕组为三角形联接时，功放桥的电压直接加到每一相绕组上，相绕组的电压较高，高频运行及动态响应比星形接法时好，与H桥驱动时相接近。但由于二相绕组的电流同时流经一个功率管，每个开关管的电流最大时约为相电流的二倍，即为H桥驱动或星型接法驱动时的二倍。这两种接法共同的特点在于，电机三相电流不是独立可调的，根据基尔霍夫定理，电机三相电流必须满足一个约束方程：
Ia?Ib?Ic?0
(3-5)
T3D1D3T5D5T1D1T3D3T5D5T1U1T4aT6D6bT2D4cD2U1T4aT6D6bT2D4cD2 图3-5 三相电机多相桥驱动的三角形和星形接法
Figure 3-5 Three-phase motor driven multi-phase bridge triangle and star connection
3.4.2 单电压驱动方式
单电压驱动方式是指步进电机绕组上加上恒定的电压V，这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数L/R (L为绕组的电感，R为绕组的电阻)上升，直到达到额定电流I?V/R。当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。为改善高速运行的电机转矩特性，通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的增加电源电压以保持额定电流不变(图3-6)。单电压驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。缺点是串入电阻将加大功耗，降低功放电路的功率，必须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠的工作。所以这种电路一般仅适合于驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。
3.4.3 高低压驱动方式
为了改善驱动器的高频特性，就必须提高导通电流的前沿，即提高电源电压，但是电压提高的同时也会使相绕组电流增大，必须加限制电阻，加入电阻后又会引起发热，加剧
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