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步进电机驱动电路利优缺点分析

供稿:中国工控网 2016/5/4 16:36:17

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  • 关键词: 电机 步进电机
  • 摘要:步进电机是一种将电能转换为动能的执行机构。相比其他电机其具有较高的定位精度,无位置累积误差的优点;开环控制系统使其成本教低。因此能在数控领域得到了广泛的应用。


由于步进电机在低速运行时的振动、噪声大,在振荡频率附近运行时易产生共振,输出转矩随着步进电机的转速升高而下降,这些缺点限制了步进电机的应用范围。
步进电机的以上特点,解决办法有两个:1、生产出更好的步进电机,这也是根本上决定消除负面特点的硬件措施,2、设计出更好的驱动器,好的驱动器可以避讳电机的种种不足,可以显著地提高步进电机的性能。由于电机生产出来以后他的所有参数都是固定的,因此提高驱动器的性能是解决问题的关键,本文讨论的关键是各种驱动技术的缺点和难点。
1 步进电机驱动控制系统
①运动控制电路:用于产生运动和转向的脉冲,脉冲的速度可以控制电机运转速度。
②步进驱动电路:由两部分组成(A、计算电机运动的脉冲数和控制电机的各种状态;B、功率输出电路,用于将控制输出实现电机运动或停止的各种目的),根据这两个的组合不同可以分成以下几种:恒电压驱动方式,高低压驱动,自激恒电流斩波驱动,电流比较斩波驱动,潜进式驱动(最新的驱动技术)。
③步进电机:步进驱动器驱动步进电机,实现由电能转化为动能的过程。
2 步进电机驱动方电路优缺点分析
恒电压驱动
单电压驱动是指在电机绕组工作过程中,只用一个方向电压对绕组供电,多个绕组交替提供电压。该方式是一种比较老的驱动方式,现在基本不用了。
优点:电路简单,元件少、控制也简单,实现起来比较简单
缺点:必须提供足够大的电流的三极管来进行开关处理,电机运转速度比较低,电机震动比较大,发热大。由于已经不再使用,所以不多描述。
高低压驱动
由于恒电压驱动存在以上诸多缺点,技术的进一步发展,研发出新的高低压驱动来改善恒电压驱动的部分缺点,高低压驱动的原理是,在电机运动到整步的时候使用高压控制,在运动到半步的时候使用低压控制,停止时也是使用低压来控制。
优点:高低压控制在一点程度上改善了震动和噪音,第一次提出细分控制步进电机的概念,同时也提出了停止时电流减半的工作模式。
缺点:电路相对恒电压驱动复杂,对三极管高频特性要求提高,电机低速仍然震动比较大,发热仍然比较大,现在基本上不使用这种驱动模式。
自激式恒电流斩波驱动
自激式恒电流斩波驱动的工作原理是通过硬件设计当电流达到某个设定值的时候通过硬件将其电流关闭,然后转为另一个绕组通电,另一个绕组通电的电流到某个固定的电流的时候,又能通过硬件将其关闭,如此反复,推进步进电机运转。
优点:噪音大大减小,转速一定程度上提高了,性能比前两种有一定的提高。
缺点:对电路设计要求比较高,对电路抗干扰要求比较高,容易引起高频,烧坏驱动元件,对元件性能要求比较高。
电流比较斩波驱动(目全市场上主要采用的技术)
电流比较斩波驱动是把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压,与D/A转换器输出的预设值进行比较,比较结果来控制功率管的开关,从而达到控制绕组相电流的目的。
优点:使运动控制模拟正弦波的特点,大大提高性能,运动速度和噪音都比较小,可以使用比较高的细分,是当前流行的控制方法。
缺点:电路比较复杂,对电路中的干扰难以控制和理论要求相吻合,容易产生抖动,在控制形成正弦波的波峰和波谷,容易导致高频干扰,进而导致驱动元件发热或者由于频率过高而老化,这也是很多驱动器使用1年多的时候容易出现红灯保护的主要原因。
潜进式驱动(硕科数控采用的全新技术)
这是一种全新的运动控制技术,该技术是在当前电流比较斩波驱动技术的前提下,克服其中的缺点而创新的一种全新的驱动方法。其核心技术是在电流比较斩波驱动的前提下增加了驱动元件发热和高频抑制保护技术。
优点:兼有电流比较斩波驱动的优点外,发热特别小,使用寿命较长。
缺点:全新技术,价格比较高,目前每种电机和驱动器匹配要求相对比较严格。
驱动器技术的发展,从原来国外一枝独秀到国内各种优秀技术涌现,可以看出国内技术的进步,同时也可以看出,每一次技术的革新都会带来几个以高端技术去引导市场的市场革命,在步进技术相对成熟的今天,硕科数控携全新的步进驱动技术,把国内的步进驱动器再次推向国际市场,原来依靠进口驱动器来获得高性能的国内厂家,在看到本技术所阐述的内容后,相信会从内心对国内技术的期望发生改变。原来使用小日本进口的国内工程师们,现在让他们找到拒绝小日本产品的理由了,可以跟小日本再次说一声NO。
提外话:细分技术
细分技术是在以上各种驱动技术的基础上,通过运算扩展出来的一种提高精度的技术,该种技术来提高精度,是有一定局限的,并非你的驱动器有128细分,其精度就等于1.8度除于128,相信对步进驱动技术深入的同志们对我的这种说法是认可的;而告诉您能达到1.8度除于128的精度的人,无非以下3种人:
1、传导者:从别人那里听到的,说给别人听;
2、推销者:希望你跟他购买东西,说给你听;
3、处涉者:刚刚开始接触步进驱动,还没有仔细琢磨该技术。


审核编辑(王雪)
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