步進電機mos管驅(qū)動設(shè)計解析與電路圖-步進電機原理 驅(qū)動方法-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-05-29
我們先了解步進電機的一些基本知識，再了解步進電機mos管驅(qū)動。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。其將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。
步進電機控制系統(tǒng)由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器、步進電機三部分組成，步進電機控制器是指揮中心，它發(fā)出信號脈沖給步進電機驅(qū)動器，而步進電機驅(qū)動器把接收到信號脈沖脈沖轉(zhuǎn)化為電脈沖,驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，控制器每發(fā)出一個信號脈沖，步進電機就旋轉(zhuǎn)一個角度,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。控制器可以通過控制脈沖數(shù)量來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)角度，從而準確定位。通過控制脈沖頻率精確控制步進電機的旋轉(zhuǎn)速度。
我們一般用的步進電機是這樣的：
結(jié)構(gòu)圖一般是這樣的：
那么這個AC，BD代表什么呢？步進電機又為什么具有以上的那些特點呢？這就要從步進電機的特殊結(jié)構(gòu)說起。先上一個步進電機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖：
先從這個簡單的圖分析原理，圖中有兩組繞組A A-，B B-，可以看出他們分別形成的磁場是相反的，位置也是相對的。這2組繞組對應(yīng)真實圖中的AC和BD。
定子為鐵芯，A A-，B B-繞在鐵芯上，通電之后產(chǎn)生磁場變成電磁鐵，轉(zhuǎn)子為永磁體，磁場將對轉(zhuǎn)自產(chǎn)生吸引或者排斥。
左上圖A A-吸引轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子豎直（此時只有A A-通電）當B B-也通電后，B B-也產(chǎn)生磁場，此時轉(zhuǎn)自將像A B中間區(qū)域偏轉(zhuǎn)，具體偏轉(zhuǎn)角度跟A B上電流大小比例有關(guān)。
左下圖此時A A-斷電，B B-繼續(xù)通電，則轉(zhuǎn)子被吸引到水平位置。
右下圖此時A A-反向通電，B B-繼續(xù)通電，則轉(zhuǎn)自順時針旋轉(zhuǎn)，重復以上過程，則轉(zhuǎn)子可以進行旋轉(zhuǎn)運動，并控制通電的時機以及順序，便可以達到控制步進電機旋轉(zhuǎn)角度。
定子鐵心：定子鐵心為凸極結(jié)構(gòu)，由硅鋼片迭壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。
定子繞組：定子每極上套有一個集中繞組，相對兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。步進電動機可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。
轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子上只有齒槽沒有繞組，系統(tǒng)工作要求不同，轉(zhuǎn)子齒數(shù)也不同。定轉(zhuǎn)子齒形相同。
當步進電機切換一次定子繞組的激磁電流時，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個固定角度即步距角。步距角一般由切換的相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩得到，所以需要每相極數(shù)是偶數(shù)。步進電機通常都為兩相以上的，當然也有一些特殊的只有一個線圈的單相步進電機。雖說單相，實為一個線圈產(chǎn)生的磁通方向交互反轉(zhuǎn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。實用的步進電機的相數(shù)有單相、兩相、三相、四相、五相。
現(xiàn)在使用的步進電機大部分用永磁轉(zhuǎn)子。普遍使用永久磁鐵的原因是效率高，分辨率高等優(yōu)點。以下以介紹永磁轉(zhuǎn)子為主。
步進電機mos管驅(qū)動，H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅(qū)動。永磁步進電機或混合式步進電機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有時需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動。本文以兩相混合式步進電機驅(qū)動器為例來設(shè)計H橋驅(qū)動電路。
步進電機mos管驅(qū)動，圖1給出了H橋驅(qū)動電路與步進電機AB相繞組連接的電路框圖。
個開關(guān)K1和K4，K2和K3分別受控制信號a，b的控制，當控制信號使開關(guān)K1，K4合上，K2，K3斷開時，電流在線圈中的流向如圖1(a)，當控制信號使開關(guān)K2，K3合上，K1，K4斷開時，電流在線圈中的流向如圖1(b)所示。4個二極管VD1，VD2，VD3，VD4為續(xù)流二極管，它們所起的作用是：以圖1(a)為例，當K1，K4開關(guān)受控制由閉合轉(zhuǎn)向斷開時，由于此時線圈繞組AB上的電流不能突變，仍需按原電流方向流動(即A→B)，此時由VD3，VD2來提供回路。因此，電流在K1，K4關(guān)斷的瞬間由地→VD3→線圈繞組AB→VD2→電源+Vs形成續(xù)流回路。同理，在圖1(b)中，當開關(guān)K2，K3關(guān)斷的瞬間，由二極管VD4，VD1提供線圈繞組的續(xù)流，電流回路為地→VD4→線圈繞BA→VD1→電源+Vs。步進電機驅(qū)動器中，實現(xiàn)上述開關(guān)功能的元件在實際電路中常采用功率MOSFET管。
由步進電機H橋驅(qū)動電路原理可知，電流在繞組中流動是兩個完全相反的方向。推動級的信號邏輯應(yīng)使對角線晶體管不能同時導通，以免造成高低壓管的直通。
另外，步進電機的繞組是感性負載，在通電時，隨著電機運行頻率的升高，而過渡的時間常不變，使得繞組電流還沒來得及達到穩(wěn)態(tài)值又被切斷，平均電流變小，輸出力矩下降，當驅(qū)動頻率高到一定的時候?qū)a(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步現(xiàn)象。因此，步進電機的驅(qū)動除了電機的設(shè)計盡量地減少繞組電感量外，還要對驅(qū)動電源采取措施，也就是提高導通相電流的前后沿陡度以提高電機運行的性能。
步進電機的缺陷是高頻出力不足，低頻振蕩，步進電機的性能除電機自身固有的性能外，驅(qū)動器的驅(qū)動電源也直接影響電機的特性。要想改善步進電機的頻率特性，就必須提高電源電壓。
圖2給出了步進電機mos管驅(qū)動器AB相線圈功率驅(qū)動部分原理圖。
在圖2中，功率MOSFET管VT1，VT2，VT3，VT4和續(xù)流二極管 VD11，VD19，VD14，VD22相當于圖1中的K1，K2，K3，K4和VD1，VD2，VD3，VD4。功率MOSFET管的控制信號是由TTL邏輯電平a，a，b，b來提供的，其中a與a，b與b在邏輯上互反。
驅(qū)動電流前后沿的改善
從步進電機的運行特性分析中知道，性能較高的驅(qū)動器都要求提供的電流前后沿要陡，以便改善電機的高頻響應(yīng)。本驅(qū)動器中由于功率MOSFET管柵極電容的存在，對該管的驅(qū)動電流實際表現(xiàn)為對柵極電容的充、放電。極間電容越大，在開關(guān)驅(qū)動中所需的驅(qū)動電流也越大，為使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅(qū)動電流要具有較大的數(shù)值。如果直接用集電極開路的器件如SN7407驅(qū)動功率MOSFET管，則電路在MOSFET管帶感性負載時，上升時間過長，會造成動態(tài)損耗增大。為改進功率MOSFET管的快速開通時間，同時也減少在前級門電路上的功耗，采用圖2虛線框內(nèi)的左下臂驅(qū)動電路。
集電極開路器件U14是將TTL電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平的緩沖/驅(qū)動器，當U14輸出低電平時，功率MOSFET管VT2的柵極電容通過1N4148被短路至地，這時U14吸收電流的能力受U14內(nèi)部導通管所允許通過的電流限制。而當U14輸出為高電平時，VT2管的柵極通過晶體管V3獲得電壓和電流，充電能力提高，因而開通速度加快。
保護功能
圖2虛線框中，1N4744是柵源間的過壓保護齊納二極管，其穩(wěn)壓值為15 V。由于，功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，故工作于開關(guān)狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當幅度的VCS脈沖電壓。這一電壓會引起柵源擊穿造成管子的永久損壞，如果是正方向的VCS脈沖電壓，雖然達不到損壞器件的程度，但會導致器件的誤導通。為此，要適當降低柵極驅(qū)動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩(wěn)壓值小于20 V而又接近20V的齊納二極管1N4744，防止柵源開路工作。
功率MOSFET管有內(nèi)接的快恢復二極管。當不接VD11，VD12，VD13，VD14時，假定此時電機AB相繞組由VT1管(和VT4管)驅(qū)動，即VT2管(和VB)截止，VT1管(和VT4管)導通，電流經(jīng)VT1管流過繞組。當下一個控制信號使VT1管關(guān)斷時，負載繞組的續(xù)流電流經(jīng)VT2的內(nèi)接快恢復二極管從地獲取。此時，VT2管的漏源電壓即是該快恢復二極管的通態(tài)壓降，為一很小的負值。當VT1再次導通時，該快恢復二極管關(guān)斷，VT2的漏源電壓迅速上升，直至接近于正電源的電壓+VS，這意味著VT2漏源間要承受很高且邊沿很陡的上升電壓，該上升電壓反向加在VT2管內(nèi)的快恢復二極管兩端，會使快恢復二極管出現(xiàn)恢復效應(yīng)，即有一個很大的電流流過加有反向電壓的快恢復二極管。
為了抑制VT2管內(nèi)的快恢復二極管出現(xiàn)這種反向恢復效應(yīng)，在圖2電路中接人了VD11，VD12，VD13，VD14。其中，反并聯(lián)快恢復二極管VD11，VD14的作用是為電機AB相繞組提供續(xù)流通路，VD12，VD13是為了使功率MOSFET管VT1，VT2內(nèi)部的快恢復二極管不流過反向電流，以保證VT1，VT2在動態(tài)工作時能起正常的開關(guān)作用。VD19，VD20，VD21，VD22的作用亦是同樣的道理。
對圖2電路的分析可知，信號a=1，b=1的情況是不允許存在的，否則將因同時導通從而使電源直接連到地造成功率管的損壞;另外，根據(jù)步進電機運行脈沖分配的要求，VT1，VT2，VT3，VT4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài)，由于晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間，總稱關(guān)斷時間，在這段時間內(nèi)，晶體管并沒完全關(guān)斷。若在此期間，另一個晶體管導通，則造成上、下兩管直通而使電源短路，燒壞晶體管或其他元器件。為了避免這種情況，可采取另加邏輯延時電路，以使H橋電路上、下兩管交替導通時可產(chǎn)生一個“死區(qū)時間”，先關(guān)后開，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。
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