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    時代超群三相步進電機細分驅動線路(WTH)
    2020年10月22日

    三相步進電機的細分驅動電路

    錢振宇(上海電器科學研究所)

         隨著數控技術的發展,特別是計算機控制技術的發展,步進電機作為一種伺服電動機得到了日益廣泛的應用。在一個自動控制系統中將一些數字信息轉換成相應的線位移或角位移是必不可少的,而步進電動機的工作特點正好能夠滿足這種要求,因此它常常在控制系統中用作執行元件和功率驅動元件。

         步進電動機的優點十分顯著,但也有一些不足的地方,例如步進電動機是通過對序列脈沖的控制來工作的,每走一步都要產生一定的振動和噪音,特別是工作在低頻段時,這種振動會影響加工工件的表面光潔度。為了使步進電動機也能象連續運轉的伺服電動機一樣平滑地運轉,就要減小步進電動機的步距角,但是小步距角的步進電動機,機械加工困難。為此,從驅動線路著手,發展了一種稱為細分的驅動方法。本文介紹一種采用集成化的HF-2步進電動機環形分配器專用電路構成三相十八拍細分驅動的線路(如有必要,利用文中線路的原理可構成細分量更大的線路)。

    1HF-2三相六拍制環形分配器專用集成電路規模集成電路

       HF-2環形分配器是一種采用TTL的集成電路,主要優點是HF-2是一個中規模集成電路全部分配器線路集成在一個管芯之中,有利于提高系統的可靠性;使用的電源電壓為5V,可直接與現時的小型或微型計算機系統相配合;電路輸出級的驅動能力較強,在與后級功率放大器配合時,可簡化功放電路的設計;分配器的邏輯設計充分考慮了用戶的各種要求,具有接線多樣,使用靈活的特點。

        HF-2環形分配器的邏輯圖以及波形圖分別如圖l和圖2所示。

      

       HF-2環形分配器是-種采用TTL的位/復位控制端,是一個低電平的作用信  號,可使線路中的觸發器OA置“l”,而使Q B和Qc置“D”,在線路正常工作時,此端應保持高電平。正轉或反轉控制端。當輸入信號為高電平時,分配器正轉;為低電平時,分配器反轉。嵌甩時,磁與步進電動機控制接口中的方向位相連。

        CLOC尺為時鐘脈沖輸入端。線路在輸入脈沖的上升沿作用下可完成一步、正轉或反轉的操作。

        脈沖的允許輸入端。從圖l中可知,只要這兩個信號中有一個是低電平,就可使時鐘脈沖作用到線路中三個觸發器的CP端。則可讓兩個EN ABLE端子自相連接后,再與BUSY相連,或者讓其中的一個前ABLE輸入端子接在+ SV線上)。

        INHIBIT為禁止輸幽的控制端子。一旦此信號變為高電平時可使分配器的三個輸出管子全部處于截止狀態。此時只要后級電路的連接得當,可使步進電動機三相繞組全部處在無電流通過的狀態。這個端子可使用戶在調機中,或作為系統的限位保護等帶來方便;此外,這個端子還可解決系統中那些暫時不用的步進電動機的能耗問題。線路正常工作時,此輸入端應保持低電平。

      環形分配器的三組輸出。這些輸出端子并不是從線路觸發器直接引出的,而是經過了一級受到INHIBIT詹號控制的與門和一食集電極和發射極均開路的三極管才給以輸出。這種處理方法提高了分配器的抗干擾能力,所以有利于提高整個系統的可靠性。

        由于QA~Qc這三組輸蹴管采用集電圾和發射極均開路的形式,加上驅動能力又比較大(按設計能力可達到30mA),這就為HF-2環形分配器以不同的接線方式與后級功率放大器的連接創造了條件。圖3畫出了幾種用HF-2環形分配器與后級電路的連接實例。其中圖3a用于相電流較小的電動機;圖3b和圖3c則適用j二相電流較大的電動機;圖3d的雙地接線方式可提高系統的抗干擾能力,圖中控制電路與功率驅動電路分屬兩食地線系統,中間通過光電耦舍器件進行線圈連接。

    2三相十八拍細分電路

        所謂細分電路,就是在控制電路上采取一定的措施把步進電動機的每一步再分得細一點。以三相步進電動機為例,如選用的電動機的步距角為3度/1.5度(三相三拍工作時的步距角為3度,三相六拍工作時的步距角為1.5度),則采用三相十八拍的細分驅動后,可使每一拍的驅動步距減為0.5度。步進電動機在細分狀態下由于步距角變小,使轉子到達新的穩定點上時所具有的功能也變小,從而振動顯著減小。細分電路不但可以實現微量進給,而且可以保持系統原有的快速性,也提高了步進電動機在低頻段運行的平滑性。此外,采用細分電路后,電動機繞組中的電流不是由零躍升到額定值,而是要經過若干小步的變化才能達到額定值,所以繞組中的電流變化比較均勻。

        圖4給出了以三片HF-2電路為核心構成的三相十八拍細分驅動線路。

     

         

        圖4線路的關鍵在于三片HF-2電路 的時鐘脈沖通過一個移位寄存器進行分配。輸入脈沖的第1、4、7……被接到l號分配器;輸入脈沖的第2、5、8.…“被接到2號分配器;輸入脈沖的3、6、9……被接到3號分配器,因此這三個分配器各對應相的輸出波形依次要滯后一拍,見圖5所示。步進電動機每一組繞組的通電情況同事受到是是三個分配器對應輸出端的控制。由于三個功率放大器的通電狀態在時間上有先后不同,因此電動機每一相電流的波形就是三個功率放大器所提供驅動電流的迭加,如圖6所示。

     

        線路設計中的主要技巧是如何鋸決對驅動脈沖起分配作用的移位寄存器74L S194的控制。從圖4可看到,當ES ET/SET為“0”時(初始狀態的設定),74LS194的So和Si均為“l”。查真值表可知,74LS194將在其時鐘脈沖一種三相步進電動機的細分驅動電路的作用下(對鐘脈沖利用R ES ET/SET從高電平變低的瞬變經微分后形成)使QA、QB、Qc分別置成l、O、O,為移位寄存器向l號環形分配器輸送驅動脈沖作準備。但是環形分配器取用驅動脈沖的上升沿;而74LS194取用驅動脈沖的下降沿(經倒相后解決與74LS194的配合),兩者相差半拍,這樣在驅動脈沖的上升沿使相應的環形分配器走過一步,而在驅動脈沖下降沿的形成過程中使74LS194移過一位,為下一次驅動脈沖分配作好準備。基于類似的原理,當方向位FORW ARD/BACKW ARD切換的時候,要預先使74LS194移過一步(移位方向由FORW ARD/BACKW ARD決定),  為此在線路中安排了將FORW ARD/BACKW ARD韻瞬變(包括上升沿與下降沿)產生一個寺供74LS194使用的時鐘脈沖。只是有一點要特別指出的,即要先準備好移位條件,然后再產生時鐘脈沖,為此在時間上要有一點滯后,在線路中用RC延遲產生。

        最后,由于步進電動機每一相電流是三個功率放大器共同作用的結果,當一相繞組完全通電時,三個功率放大器各提供三分之一的相電流,據此可以選擇適用的功率晶體管及限流電阻。由于新的線路設計方案的總功率與傳統線路相當,所以電動機驅動部分的體積并不一定比傳統線路更大。相反,由于單個功放電路的電流減小了(減至傳統線路的三分之一).所以功率管的選擇、功率管與分配器之間的匹配等更易得到解決。限流電阻也不崩選擇大瓦數的線繞電阻,可選用較小功率的線繞電阻。

    3細分量的擴展

        利用圖4線路的設計原理,不難設計出其他小步距角的驅動線路。HF-2環形分配器的使用數目與每一拍所移動的角度關系如附表所示。


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