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卷板機步進電動機的驅動控制 |
| 發布時間：2020/1/10 15:48:30 |
卷板機步進電動機的驅動控制
卷板機步進電動機的驅動控制功能由步進驅動器完成。卷板機步進電動機的驅動器由環形分配器和功率放大器組成，主要功能是將CNC系統發出的脈沖信號和方向信號進行控制，使脈沖頻率增大或者減小，然后按一蹙的配電方式循環送給卷板機步進電動機的各相繞組，來實現卷板機步進電動機的正、反向和加、減速旋轉。
1．環形分配器
環形分配器的功能是進行脈沖分配，它接收CNC系統插補器輸出的指令脈沖，將這個單序列脈沖轉換為卷板機步進電動機需要的多序列脈沖，然后送到功率放大器，使相應的定子繞組斷電或者通電，以實現卷板機步進電動機的相應動作。環形分配器可以由硬件電路實現，也可以由軟件實現。
1)硬件環形分配器
硬件環形分配器分為”吼脈沖分配器和CMOS脈沖分配器。11幾類型的脈沖分配器的基本構成是觸發器和邏輯門，每個觸發器發出一個序列脈沖，用來控制卷板機步進電動機相應定子繞組的通斷電。因此，卷板機步進電動機有幾相，就需要環形分配器轉換幾相序列脈沖，就需要設置幾個觸發器。圖6—5所示為硬件環形分配器原理圖。進給脈沖方向控制
圖5硬件環形分配器原理圖
硬件環形分配器由集成電路的觸發器、邏輯門等構成。圖中是一個三相六拍的脈沖分配器，由三個D觸發器和與非門組成。環形分配器的輸出端QA、QB和Qc分別控制電動機的三相繞組。當方向控制信號為“1”時，三相六拍的運行方式是“A—AB—B—Bc—C--*CA…”，轉子按順時針方向一步一步轉動。反之，當方向控制信號為“0”時，三相六拍的運行方式是“CA—C—CB—B—BA—A…”，轉子按逆時針方向一步一步轉動。進給時環行分配器真值表如表1所示。
表1 進給時環行分配器真值表
CP | DA | DB | Dc | QA | QB | Qc | 通電相 | 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)軟件環形分配器
軟件環形分配器的工作連接如圖6所示。軟件環形分配器的功能由CNC系統中的軟件來完成，CNC系統控制卷板機步進電動機各個繞組的通電、斷電，對不同相數、不同種類、不同分配方式的卷板機步進電動機只需要編制相應的控制程序，將其存入CNC系統中即可。
圖6軟件環形分配器連接圖
2．功率放大器
環形分配器輸出的脈沖信號功率很小，電壓幅度只有5 v左右，電流幅度為mA級，因此，要進行功率放大才能驅動卷板機步進電動機。功率放大器由前置放大器和大功率放大器兩部分組成。前置放大器負責放大環形分配器送來的脈沖信號，即進給控制信號，并推動大功率驅動部分。前置放大器由若干級反相器、射極跟隨器等組成。大功率放大器進一步將信號放大，輸出卷板機步進電動機各繞組所需電流。
功率放大器的質量直接影響卷板機步進電動機的性能。功率放大器的負載為卷板機步進電動機的繞組，是強感性負載，其中的電流不能突然發生變化，相電流從零上升到額定電流和從額定電流下降到零，都需要一段時間。延時將影響卷板機步進電動機的性能，尤其是電動機在高速工作時，輸出轉矩會急劇下降。對卷板機步進電動機驅動電路一般的要求如下：
(1)失真要小，通電周期內能提供足夠大的矩形波或接近矩形波的電流；
(2)具有截止期間釋放電流的回路，用來降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減；
(3)要求驅動電源效率高、功耗低：
(4)要求驅動電源運行可靠、穩定：
(5)要求驅動器的安裝調試和維修方便。
常用的功率放大電路有單電壓驅動、高低壓驅動、恒流斬波驅動等。多采用大功率晶體管(GTR)、場效應晶體管(MOSFET)或者可關斷晶閘管(GTO)作為功率半導體元件。
1)單電壓驅動電路
單電壓驅動電路是應用最早的功率放大電路，原理圖如圖6．7所示。
L3是卷板機步進電動機的三相繞組，各項繞組均由相應的放大器驅動，三相放大器完全相同。工作時，脈沖信號輸入各端，經過放大器后，輸入信號電流放大。沒有脈沖信號時，電動機繞組沒有電流通過，電動機不轉。
當第一個脈沖輸入第一端，其中的兩級三極管均飽和導通，Lt有電流通過，電動機轉動一步。第二個脈沖輸入第二端，L2有電流通過，卷板機步進電動機再轉動一步，同樣，第三個脈沖輸入第三端，L3得電，電動機再轉一步。這樣脈沖序列依次輸入三端，三組放大器依次驅動電動機三相繞組，電動機一步一步轉動，這里的工作方式稱為三相單三拍。
這種電路的優點是電路簡單、成本低，但是串接的電阻在工作時會產生大量熱量，功耗較大，尤其在高頻工作時對電源的正常工作極其不利。因此，它一般用在小功率、對運行頻率要求不高的場合。
圖7卷板機步進電動機單電壓驅動電路
2)高低壓驅動電路
高低電壓驅動方式是在單電壓驅動方式的基礎上，為解決單電壓驅動的快速性問題而發展起來的一種供電驅動方式。圖8所示是卷板機步進電動機一相繞組的高低壓驅動電路。
圖8卷板機步進電動機一相繞組的高低電壓驅動電路，其基本原理是在脈沖到來時，電動機繞組兩端先加一較高電壓，使繞組電流快速建蔫之后改用低電壓，以維持相電流的大小。電路無脈沖輸入時，VTl、VT2、VT3 VT4都琴止，電動機繞組沒有電流通過，電動機不轉。有脈沖輸入時，VTl、VT2、vT3和VT4飽穆導通，由截止狀態到飽和狀態期間，脈沖變壓器的初級電流快速上升，變壓器次級感應個電壓，使得VT3導通，這就產生一個高壓U1加到電動機繞組上，當VT2進入穩壓狀態，變壓器初級電流暫定，次級感應電壓降低為零，VT3處于截止狀態，這是低電壓覘加到繞組上，并維持繞組中的電流恒定。
這種驅動電路使電流波形得到很大改善，電動機的矩頻特性良好，啟動和運行頻率都有很大提高，但是在高壓工作結束，低壓工作開始的銜接處，電動機的輸出力矩有所下降。
3)恒流斬潑驅動電路
高低壓驅動電路的高低壓銜接處電流波形為凹形，為彌補這一缺陷，發展了恒流斬波驅動技術，確保卷板機步進電動機的電流恒定保持在額定值附近。圖6-9所示為一種經典的恒流斬波驅動電路原理圖。它是單極型驅動方式，充分利用電源電壓，工作頻率范圍寬，在很大程度上改善了電流波形、矩頻特性，并且不需要外接限流電阻，因此，功耗大大降低，提高了電源的工作效率。
圖9恒流斬波驅動電路原理圖
隨著電力電子技術、微處理器技術，以及微電子技術的飛速發展，步進驅動控制技術不斷完善并且趨于成熟，步進驅動裝置也發展成為模塊化的驅動器。步進驅動器的結構和性能決定了卷板機步進電動機的運行品質，同一臺卷板機步進電動機配合不同類型的步進驅動器，其性能會產生差異。對步進驅動器的設計和改進，也需要對卷板機步進電動機的結構和運行原理進行深入了解。隨著步進驅動器的發展，使得卷板機步進電動機被廣泛應用，也使得卷板機步進電動機和步進驅動器成為不可分割的整體。
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