反饋控制改善驅動電源矩頻特性
康晶，邵強，胡紅英
(大連民族學院，遼寧大連116600)
摘要：為了改進步進電動機的矩頻特性，設計了一種具有反饋控制環節的高低壓驅動電路，將檢測控制環節應用于高低壓驅動電路，提高了驅動電源的高頻驅動能力。介紹了電路的結構原理和部分參數的計算。對三種驅動電路進行了驅動能力和特性對比實驗。實驗結果表明：該方法明顯地提高了驅動能力，改善了電源的矩頻特性，克服了恒流斬渡驅動電源的高頻電磁噪聲和斬波管的過熱現象。
關鍵詞：矩頻特性；驅動電路；檢測環節；反饋控制
中圖分類號：TM383．6 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0034—03
0引 言
步進電動機是機電一體化系統中的重要執行元件，步進電動機的輸出轉矩與運行脈沖頻率的關系稱為矩頻特性，一般步進電動機的輸出力矩隨著運行頻率的升高而下降。為了改善步進電動機的矩頻特性，提高步進電動機高頻段的輸出力矩，可以采用提高電源電壓的方法來增加繞組中電流的有效值；或在繞組回路中串電阻，以降低時間常數T，但前者會導致低頻運行時繞組電流過載，后者會增加功率損耗，導致步進電動機和整個供電系統效率降低。通常采用高低壓供電或恒流斬波改善步進電動機的矩頻特性[1-4]。如文獻[1]報道采用高低壓切換方法，電機在低速運轉時采用低壓供電，降低電機的低頻振蕩；高頻運行時采用高壓供電，提高電機的高頻運行力矩；文獻[2]報道采用具有反饋控制環節的高低壓驅動電路，利用反饋控制高壓管的導通時間，適應不同的運轉頻率，改善高頻驅動能力，并且消除了恒流斬波驅動電路在鎖相時因斬波產生的高頻電磁噪聲，并且克服了定時控制與脈沖變壓器式驅動電路對步進電動機運行頻率范圍的限制，難于集成的缺點[2]。
1具有反饋控制環節的高低壓驅動電路
高低壓驅動電路又稱雙電壓驅動電路，可以分為定時控制與脈沖變壓器控制。脈沖變壓器式驅動電路結構簡單，但是因為使用脈沖變壓器使制造工藝復雜，成本高，且不易模塊化，目前用得很少；定時控制高低壓驅動電路采用單穩態觸發器將控制脈沖分離出一個同步的窄脈沖作為高壓有效控制信號。該脈沖的寬度為單穩態觸發器的暫態過程時問△t，在這個過程中高壓控制管與低壓控制管同時導通。△t既不能太大也不能太小；太大時，步進電動機電流過載使兩個驅動管燒壞甚至將步進電動機燒毀；太小時，高頻性能改善不明顯，高頻運轉時出力小，易產生失步現象。一般△t取值與主回路的電氣時間常數t相等[2]。一旦△t被確定，則難以控制、調整適應不同的運轉頻率和不同繞組電感的步進電動機。具有反饋控制的高低壓驅動電路如圖1所示，
于集成的缺點[2]。
1具有反饋控制環節的高低壓驅動電路
高低壓驅動電路又稱雙電壓驅動電路，可以分為定時控制與脈沖變壓器控制。脈沖變壓器式驅動電路結構簡單，但是因為使用脈沖變壓器使制造工藝復雜，成本高，且不易模塊化，目前用得很少；定時控制高低壓驅動電路采用單穩態觸發器將控制脈沖分離出一個同步的窄脈沖作為高壓有效控制信號。該脈沖的寬度為單穩態觸發器的暫態過程時問△t，在這個過程中高壓控制管與低壓控制管同時導通。△t既不能太大也不能太小；太大時，步進電動機電流過載使兩個驅動管燒壞甚至將步進電動機燒毀；太小時，高頻性能改善不明顯，高頻運轉時出力小，易產生失步現象。一般△t取值與主回路的電氣時間常數t相等[2]。一旦△t被確定，則難以控制、調整適應不同的運轉頻率和不同繞組電感的步進電動機。具有反饋控制的高低壓驅動電路如圖1所示，
開環飼服機構運動控制的重要環節，如果過程曲線
設計不合理或驅動電流不足，則易出現升速過程的失步。一般，步進電動機升速過程由電機的矩頻特性曲線計算確定，而驅動電流則由驅動電路的結構、參數和運行頻率確定。步進電動機單相繞組與驅動器的接口是一典型的L—R回路，如圖3所示。電機繞組L的電流滿足下述微分方程：
式中：θ——電機轉角；
R——主回路及電機繞組的總電阻；
U(t)——矩形脈沖電壓；
Ls(θ)——步進電動機相繞組的自感。
當電機單相繞組的電流為I(t)時，電機轉子的電磁力矩為：
考慮到繞組自感Ls(θ)的變化，可得到步進電動機的矩頻特性表達式：
式中：fs——步進電動機脈沖頻率；
Tmax——步進電動機****靜轉矩。
由式(3)、式(4)可以看出：電機轉子的電磁力矩是步進電動機繞組相電流和脈沖頻率的函數，即T=f(I，fs)，但繞組電流對電機力矩的影響更大。因此應設法改善繞電流波形，提高電機繞組有效電流，改善電機的高頻段矩頻特性。
此外電機繞組是電感元件，其驅動電路主回路的電氣常數和脈沖頻率對繞組電流的影響也是引起高頻段電機轉矩下降的更重要因素。通常需(2～3)t，回路電流達到穩定值，即只有控制脈沖寬度≥2t，電機轉子才有機會輸出****轉矩。而功率步進電動機的主回路電氣常數為0．01～lO ms，r越小，主回路電流上升率越大，高頻段矩頻特性好，但功率損耗大，電源效率低。
3 三種驅動電路的驅動特性比較
由反應式步進電動機的矩頻特性分析可知：繞組的有效電流對電機的力知影響很大，而繞組是大電感元件，對于高低壓驅動電路，其高電壓的選取和高壓控制管的導通時間決定了繞組的電流波形，即有效電流值。因此為了改善高低壓驅動電路的驅動特性提高步進電機的矩頻特性，筆者設計了具有反饋控制環節的高低壓驅動電路，如圖3所示。
根據對上述幾種驅動電路的應用實踐與理論分析，我們分別對其進行了步進電動機驅動能力實驗，實驗中的步進電動機負載、驅動管型號、散熱條件等均相同，其他實驗條件見參考文獻[2，4]。
高低壓定時控制驅動電路在高壓有效脈沖寬度△f=0．5 ms、高壓電源Uh=120 V的條件下對500～5 000 Hz的運轉頻率進行了驅動實驗。實驗表明：電路在低頻條件下有嚴重的電流過載現象，其****電流為步進電動機額定電流的百分這140，引起高、低壓控制管發熱甚至燒毀；而在高頻運行時控制脈沖寬度僅0.1 ms(占空比百分之50)，故****電流上升到2．8
A，平均電流僅為2．O A，步進電動機出力不足，出現較嚴重的失步現象。電流波形如表1所示，步進電動機的運行頻率范圍無法適應機電一體化系統的調速要求。
恒流斬波驅動電路在實驗中，高低速運行均表現了良好的矩頻特性，但在斬渡過程中斬波管耗散功率增大產生過熱現象，限制了電路的驅動能力。
高低壓反饋控制驅動電路在低頻運行時無電流過載現象；在高頻運行時表現了良好的矩頻特性。如圖4所示，其****電流可通過調整參考電壓U b控  制，而主回路驅動管的溫度均低于恒流斬波驅動電路中的管溫。表1給出了三種電路在高低不同運行頻率下的電流波形，而電路運行時的高壓控制管VTl、散熱器溫度T1、低壓控制管VT2、散熱器溫度T2和步進電動機機殼溫度Ts參見文獻[2，4]。
表2給出了三種驅動電路在相同散熱器溫度(50℃)時，不同運行頻率下的驅動特性。其中反饋控制和恒流斬波驅動電路的相對驅動能力在高頻時(4～5．5 kHz)表現出了優越性能，電機的平均力矩提高三倍；在相同輸出力矩的情況下，步進電動機的運行頻率提高了l～1．5 kHz，步進電動機的矩頻特性得到顯著的改變。圖4給出了高低壓驅動電路兩種控制方式的步進電動機的矩頻特性。
4結語
(1)反饋控制驅動電路克服了高低壓定時控制驅動電路的低頻過載、高頻出力不足使步進電動機產生失步的現象，可以實現步進電動機理想的矩頻特性，并且可以根據不同的****運行頻率調整電源電壓Uh；
(2)反饋控制驅動電路消除了恒流斬波電路因斬波過程產生的高頻電磁噪聲和斬波管過熱現象；每個控制脈沖產生的上升電流大，加速性能好；
(3)因電路中高壓控制管截止時，采用低壓電源供電，步進電動機繞組電流波形上部產生下陷，平均電流下降，下降幅度達百分之20，步進電動機的保持力矩有所下降。
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