用場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)恒流斬波型進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源
延俊華 王裕清（焦作礦業(yè)學(xué)院）
【摘 要】介紹一種用場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)的單電壓斬波型驅(qū)動(dòng)電源的原理與性能，并給出了電路參數(shù)的選取方法。試驗(yàn)證明，該驅(qū)動(dòng)電源的運(yùn)行頻率、矩頻特性、效率等明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品。
【敘 詞】場效應(yīng)晶體管，斬波器，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)，電源
引 言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的數(shù)字執(zhí)行部件。它具有精度高、慣性小、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)控領(lǐng)域，尤其適合于對定位精度有較高要求的場合。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能與驅(qū)動(dòng)電源密切相關(guān)。但是，現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電源普遍存在體積大、效率低、矩頻特性差、價(jià)格較高的缺陷。例如一臺90BF002型五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)售價(jià)不過三、四百元而與其配套的高、低壓驅(qū)動(dòng)電源卻需數(shù)千元才能買到。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用。
本文介紹一種斬波型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，其功放電路采用VMOSFET實(shí)現(xiàn)。
1改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電源的技術(shù)關(guān)鍵
驅(qū)動(dòng)電源的電氣性能主要取決于輸出脈沖電流的波型。理想的電流波型為方波。實(shí)際上由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電感的存在，只能近似實(shí)現(xiàn)梯形波。電沆波形越接近方波，運(yùn)行頻率越高，矩頻特陛越好，這就要求輸出脈沖電流的邊沿要陡，平頂部分要平。
圖l為高、低壓恒流切換斬波型驅(qū)動(dòng)電源的原理示意圖；圖2為其輸入信號與輸出電流的波形。在電流上升沿(t0, tl)段，TG導(dǎo)通，在+80V高壓作用下繞組電流迅速上升。當(dāng)電流上升到i2的時(shí)候，測流、比較電路控制咒關(guān)斷，TD繼續(xù)導(dǎo)通，+12V低壓通過D1加在繞組上，電流下降。當(dāng)電流下降到i1，TG將再次導(dǎo)通，電流快速上升，如此周而復(fù)始，形成形脈沖電流的平頂部分。在電流下降沿[t2, t3)。TD TG均關(guān)斷，繞組電流通過高、低壓電源及D1、D2.R進(jìn)行放電，其反電勢為高、低壓之差，放電速度較快，圖1中電阻尺的作用是限制電流幅度。
在各類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源中，恒流①本文系河南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目子課題用場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)恒流斬波型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源斬波型屬性能較好之列，但是，這種電源存在三個(gè)缺點(diǎn)。
a．使用高、低匪兩個(gè)直流電源，不如單電源簡單；
b．電阻R功耗太大，使電源效率降低；
c．采用晶體管或達(dá)林頓管作為功放元件，響應(yīng)速度低，影響驅(qū)動(dòng)電源的運(yùn)行頻率。另一方面，由于晶體管放大倍數(shù)小，使前置放大電路復(fù)雜化，而且高壓驅(qū)動(dòng)需要進(jìn)行隔離，十分麻煩。
2 VMOSFET斬波型驅(qū)動(dòng)電源
VMOSFET(大功率場效應(yīng)晶體管)是目前國外廣泛應(yīng)用的一種功率器件。具有速度快，增益高的優(yōu)點(diǎn)，而且無二次擊穿現(xiàn)象，用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源非常合適。
針對傳統(tǒng)電源存在的問題，對圖l所示驅(qū)動(dòng)電路加以改進(jìn)，研制出圖3所示單電壓斬波型驅(qū)動(dòng)電源。
2~1電路原理
圖3上部為脈沖電流功放電路，下部為電流檢測與控制電路。功放電路中，T1，T2為場效應(yīng)管，通過控制其開遺、關(guān)斷實(shí)現(xiàn)恒流斬波。D1，D2為肖特基二極管，為繞組提供快速放電通路。穩(wěn)壓管D3的作用是在T截止?fàn)顟B(tài)下為Ti管提供穩(wěn)定的控制電壓，且對Ti具有保護(hù)作用．高壓三極管T3作為丁1驅(qū)動(dòng)之用。
檢測電路中，運(yùn)放LM324財(cái)R1上取樣的電流信號進(jìn)行放大。比較器LM339接成史密特電路，其輸出電平Vl與主電流j的關(guān)系如圖4所示。
測流輸出V1與控制輸入Vg綜合后得到T1管控制信號V2，控制Tl管的導(dǎo)通與關(guān)斷，對主電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒流斬波。T1.T2管的控制信號及主電流波形如圖5所示。
2.2電路參數(shù)選擇
功放電路各元件定額由輸出電流和電源電壓確定。需要說明的是，電源EG作用是為Ti管提供穩(wěn)定的柵源控制電壓。即在Ti導(dǎo)通期間，無論T1源極電位多高，其柵源電壓始終穩(wěn)定，且等于D3的穩(wěn)壓值。Ea可按下式選取
在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組允許的條件下，主電源ED可直接由220V單相交流電整流得到，從而省去主電源變壓器，使整機(jī)體積大大縮小。
測流電阻R1取O.lΩ左右
檢測電路中，前置放大級放大倍數(shù)為
電流f較小時(shí)，LM339輸出Vl為高電平，其電壓值等于Ew。設(shè)電流上升到如輸出Vl由高變低，根據(jù)翻轉(zhuǎn)時(shí)刻比較器正、負(fù)輸入端電壓相等，可得
設(shè)電流下降到fl輸出Vl由低變高。因?yàn)樵谳敵鰹榈碗娖綘顟B(tài)時(shí)，比較器正端電壓為
定義  為分壓系數(shù) 由式(3)，(5)知，在Ew、R1選定條件下i1、i2的調(diào)整十分方便。
3結(jié)語
單電壓斬波型驅(qū)動(dòng)電源功放電路簡單，檢測電路緊湊。由于功率管均工作于開關(guān)狀態(tài)，且主回路阻值小，因此功耗小，效率高。經(jīng)試驗(yàn)，運(yùn)行頻率、矩頻特性、效率等指標(biāo)明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品。尤其突出的是該電源體積小，重量輕，造價(jià)低。與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源BSQII型相比，造價(jià)僅為其百分之20，重量為其百分之10�？梢姡捎肰MOSFET是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展方向。該電源已申請中國專利，專利號為91206837。
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