反饋控制改善驅(qū)動(dòng)電源矩頻特性
康晶，邵強(qiáng)，胡紅英
(大連民族學(xué)院，遼寧大連116600)
摘要：為了改進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性，設(shè)計(jì)了一種具有反饋控制環(huán)節(jié)的高低壓驅(qū)動(dòng)電路，將檢測(cè)控制環(huán)節(jié)應(yīng)用于高低壓驅(qū)動(dòng)電路，提高了驅(qū)動(dòng)電源的高頻驅(qū)動(dòng)能力。介紹了電路的結(jié)構(gòu)原理和部分參數(shù)的計(jì)算。對(duì)三種驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)能力和特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法明顯地提高了驅(qū)動(dòng)能力，改善了電源的矩頻特性，克服了恒流斬渡驅(qū)動(dòng)電源的高頻電磁噪聲和斬波管的過熱現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞：矩頻特性；驅(qū)動(dòng)電路；檢測(cè)環(huán)節(jié)；反饋控制
中圖分類號(hào)：TM383．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)06—0034—03
0引 言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性，一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨著運(yùn)行頻率的升高而下降。為了改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性，提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)間常數(shù)T，但前者會(huì)導(dǎo)致低頻運(yùn)行時(shí)繞組電流過載，后者會(huì)增加功率損耗，導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和整個(gè)供電系統(tǒng)效率降低。通常采用高低壓供電或恒流斬波改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性[1-4]。如文獻(xiàn)[1]報(bào)道采用高低壓切換方法，電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采用低壓供電，降低電機(jī)的低頻振蕩；高頻運(yùn)行時(shí)采用高壓供電，提高電機(jī)的高頻運(yùn)行力矩；文獻(xiàn)[2]報(bào)道采用具有反饋控制環(huán)節(jié)的高低壓驅(qū)動(dòng)電路，利用反饋控制高壓管的導(dǎo)通時(shí)間，適應(yīng)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，改善高頻驅(qū)動(dòng)能力，并且消除了恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路在鎖相時(shí)因斬波產(chǎn)生的高頻電磁噪聲，并且克服了定時(shí)控制與脈沖變壓器式驅(qū)動(dòng)電路對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率范圍的限制，難于集成的缺點(diǎn)[2]。
1具有反饋控制環(huán)節(jié)的高低壓驅(qū)動(dòng)電路
高低壓驅(qū)動(dòng)電路又稱雙電壓驅(qū)動(dòng)電路，可以分為定時(shí)控制與脈沖變壓器控制。脈沖變壓器式驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是因?yàn)槭褂妹}沖變壓器使制造工藝復(fù)雜，成本高，且不易模塊化，目前用得很少；定時(shí)控制高低壓驅(qū)動(dòng)電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將控制脈沖分離出一個(gè)同步的窄脈沖作為高壓有效控制信號(hào)。該脈沖的寬度為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)過程時(shí)問△t，在這個(gè)過程中高壓控制管與低壓控制管同時(shí)導(dǎo)通。△t既不能太大也不能太�。惶髸r(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電流過載使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管燒壞甚至將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)燒毀；太小時(shí)，高頻性能改善不明顯，高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出力小，易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。一般△t取值與主回路的電氣時(shí)間常數(shù)t相等[2]。一旦△t被確定，則難以控制、調(diào)整適應(yīng)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和不同繞組電感的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。具有反饋控制的高低壓驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，
于集成的缺點(diǎn)[2]。
1具有反饋控制環(huán)節(jié)的高低壓驅(qū)動(dòng)電路
高低壓驅(qū)動(dòng)電路又稱雙電壓驅(qū)動(dòng)電路，可以分為定時(shí)控制與脈沖變壓器控制。脈沖變壓器式驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是因?yàn)槭褂妹}沖變壓器使制造工藝復(fù)雜，成本高，且不易模塊化，目前用得很少；定時(shí)控制高低壓驅(qū)動(dòng)電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將控制脈沖分離出一個(gè)同步的窄脈沖作為高壓有效控制信號(hào)。該脈沖的寬度為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)過程時(shí)問△t，在這個(gè)過程中高壓控制管與低壓控制管同時(shí)導(dǎo)通�！鱰既不能太大也不能太小；太大時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電流過載使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管燒壞甚至將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)燒毀；太小時(shí)，高頻性能改善不明顯，高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出力小，易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。一般△t取值與主回路的電氣時(shí)間常數(shù)t相等[2]。一旦△t被確定，則難以控制、調(diào)整適應(yīng)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和不同繞組電感的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。具有反饋控制的高低壓驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，
開環(huán)飼服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)，如果過程曲線
設(shè)計(jì)不合理或驅(qū)動(dòng)電流不足，則易出現(xiàn)升速過程的失步。一般，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)升速過程由電機(jī)的矩頻特性曲線計(jì)算確定，而驅(qū)動(dòng)電流則由驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和運(yùn)行頻率確定。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相繞組與驅(qū)動(dòng)器的接口是一典型的L—R回路，如圖3所示。電機(jī)繞組L的電流滿足下述微分方程：
式中：θ——電機(jī)轉(zhuǎn)角；
R——主回路及電機(jī)繞組的總電阻；
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