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卷板机步进电动机的驱动控制 |
| 发布时间：2020/1/10 15:48:30 |
卷板机步进电动机的驱动控制
卷板机步进电动机的驱动控制功能由步进驱动器完成。卷板机步进电动机的驱动器由环形分配器和功率放大器组成，主要功能是将CNC系统发出的脉冲信号和方向信号进行控制，使脉冲频率增大或者减小，然后按一蹙的配电方式循环送给卷板机步进电动机的各相绕组，来实现卷板机步进电动机的正、反向和加、减速旋转。
1．环形分配器
环形分配器的功能是进行脉冲分配，它接收CNC系统插补器输出的指令脉冲，将这个单序列脉冲转换为卷板机步进电动机需要的多序列脉冲，然后送到功率放大器，使相应的定子绕组断电或者通电，以实现卷板机步进电动机的相应动作。环形分配器可以由硬件电路实现，也可以由软件实现。
1)硬件环形分配器
硬件环形分配器分为”吼脉冲分配器和CMOS脉冲分配器。11几类型的脉冲分配器的基本构成是触发器和逻辑门，每个触发器发出一个序列脉冲，用来控制卷板机步进电动机相应定子绕组的通断电。因此，卷板机步进电动机有几相，就需要环形分配器转换几相序列脉冲，就需要设置几个触发器。图6—5所示为硬件环形分配器原理图。进给脉冲方向控制
图5硬件环形分配器原理图
硬件环形分配器由集成电路的触发器、逻辑门等构成。图中是一个三相六拍的脉冲分配器，由三个D触发器和与非门组成。环形分配器的输出端QA、QB和Qc分别控制电动机的三相绕组。当方向控制信号为“1”时，三相六拍的运行方式是“A—AB—B—Bc—C--*CA…”，转子按顺时针方向一步一步转动。反之，当方向控制信号为“0”时，三相六拍的运行方式是“CA—C—CB—B—BA—A…”，转子按逆时针方向一步一步转动。进给时环行分配器真值表如表1所示。
表1 进给时环行分配器真值表
CP | DA | DB | Dc | QA | QB | Qc | 通电相 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | A | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | l | 0 | AB | 2 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | B | 3 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | BC | 4 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | C | 5 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | l | CA | 6 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | A |
2)软件环形分配器
软件环形分配器的工作连接如图6所示。软件环形分配器的功能由CNC系统中的软件来完成，CNC系统控制卷板机步进电动机各个绕组的通电、断电，对不同相数、不同种类、不同分配方式的卷板机步进电动机只需要编制相应的控制程序，将其存入CNC系统中即可。
图6软件环形分配器连接图
2．功率放大器
环形分配器输出的脉冲信号功率很小，电压幅度只有5 v左右，电流幅度为mA级，因此，要进行功率放大才能驱动卷板机步进电动机。功率放大器由前置放大器和大功率放大器两部分组成。前置放大器负责放大环形分配器送来的脉冲信号，即进给控制信号，并推动大功率驱动部分。前置放大器由若干级反相器、射极跟随器等组成。大功率放大器进一步将信号放大，输出卷板机步进电动机各绕组所需电流。
功率放大器的质量直接影响卷板机步进电动机的性能。功率放大器的负载为卷板机步进电动机的绕组，是强感性负载，其中的电流不能突然发生变化，相电流从零上升到额定电流和从额定电流下降到零，都需要一段时间。延时将影响卷板机步进电动机的性能，尤其是电动机在高速工作时，输出转矩会急剧下降。对卷板机步进电动机驱动电路一般的要求如下：
(1)失真要小，通电周期内能提供足够大的矩形波或接近矩形波的电流；
(2)具有截止期间释放电流的回路，用来降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减；
(3)要求驱动电源效率高、功耗低：
(4)要求驱动电源运行可靠、稳定：
(5)要求驱动器的安装调试和维修方便。
常用的功率放大电路有单电压驱动、高低压驱动、恒流斩波驱动等。多采用大功率晶体管(GTR)、场效应晶体管(MOSFET)或者可关断晶闸管(GTO)作为功率半导体元件。
1)单电压驱动电路
单电压驱动电路是应用最早的功率放大电路，原理图如图6．7所示。
L3是卷板机步进电动机的三相绕组，各项绕组均由相应的放大器驱动，三相放大器完全相同。工作时，脉冲信号输入各端，经过放大器后，输入信号电流放大。没有脉冲信号时，电动机绕组没有电流通过，电动机不转。
当第一个脉冲输入第一端，其中的两级三极管均饱和导通，Lt有电流通过，电动机转动一步。第二个脉冲输入第二端，L2有电流通过，卷板机步进电动机再转动一步，同样，第三个脉冲输入第三端，L3得电，电动机再转一步。这样脉冲序列依次输入三端，三组放大器依次驱动电动机三相绕组，电动机一步一步转动，这里的工作方式称为三相单三拍。
这种电路的优点是电路简单、成本低，但是串接的电阻在工作时会产生大量热量，功耗较大，尤其在高频工作时对电源的正常工作极其不利。因此，它一般用在小功率、对运行频率要求不高的场合。
图7卷板机步进电动机单电压驱动电路
2)高低压驱动电路
高低电压驱动方式是在单电压驱动方式的基础上，为解决单电压驱动的快速性问题而发展起来的一种供电驱动方式。图8所示是卷板机步进电动机一相绕组的高低压驱动电路。
图8卷板机步进电动机一相绕组的高低电压驱动电路，其基本原理是在脉冲到来时，电动机绕组两端先加一较高电压，使绕组电流快速建蔫之后改用低电压，以维持相电流的大小。电路无脉冲输入时，VTl、VT2、VT3 VT4都琴止，电动机绕组没有电流通过，电动机不转。有脉冲输入时，VTl、VT2、vT3和VT4饱穆导通，由截止状态到饱和状态期间，脉冲变压器的初级电流快速上升，变压器次级感应个电压，使得VT3导通，这就产生一个高压U1加到电动机绕组上，当VT2进入稳压状态，变压器初级电流暂定，次级感应电压降低为零，VT3处于截止状态，这是低电压觇加到绕组上，并维持绕组中的电流恒定。
这种驱动电路使电流波形得到很大改善，电动机的矩频特性良好，启动和运行频率都有很大提高，但是在高压工作结束，低压工作开始的衔接处，电动机的输出力矩有所下降。
3)恒流斩泼驱动电路
高低压驱动电路的高低压衔接处电流波形为凹形，为弥补这一缺陷，发展了恒流斩波驱动技术，确保卷板机步进电动机的电流恒定保持在额定值附近。图6-9所示为一种经典的恒流斩波驱动电路原理图。它是单极型驱动方式，充分利用电源电压，工作频率范围宽，在很大程度上改善了电流波形、矩频特性，并且不需要外接限流电阻，因此，功耗大大降低，提高了电源的工作效率。
图9恒流斩波驱动电路原理图
随着电力电子技术、微处理器技术，以及微电子技术的飞速发展，步进驱动控制技术不断完善并且趋于成熟，步进驱动装置也发展成为模块化的驱动器。步进驱动器的结构和性能决定了卷板机步进电动机的运行品质，同一台卷板机步进电动机配合不同类型的步进驱动器，其性能会产生差异。对步进驱动器的设计和改进，也需要对卷板机步进电动机的结构和运行原理进行深入了解。随着步进驱动器的发展，使得卷板机步进电动机被广泛应用，也使得卷板机步进电动机和步进驱动器成为不可分割的整体。
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