設(shè)計(jì) | 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理

H橋功率驅(qū)動(dòng)電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動(dòng)。永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時(shí)需正向電流，有時(shí)需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動(dòng)。本文以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為例來設(shè)計(jì)H橋驅(qū)動(dòng)電路。

電路原理

圖1給出了H橋驅(qū)動(dòng)電路與步進(jìn)電機(jī)AB相繞組連接的電路框圖。

4個(gè)開關(guān)K1和K4，K2和K3分別受控制信號(hào)a，b的控制，當(dāng)控制信號(hào)使開關(guān)K1，K4合上，K2，K3斷開時(shí)，電流在線圈中的流向如圖1(a)，當(dāng)控制信號(hào)使開關(guān)K2，K3合上，K1，K4斷開時(shí)，電流在線圈中的流向如圖1(b)所示。4個(gè)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(dāng)K1，K4開關(guān)受控制由閉合轉(zhuǎn)向斷開時(shí)，由于此時(shí)線圈繞組AB上的電流不能突變，仍需按原電流方向流動(dòng)(即A→B)，此時(shí)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(dāng)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→線圈繞組BA→VD1→電源+Vs。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，實(shí)現(xiàn)上述開關(guān)功能的元件在實(shí)際電路中常采用功率MOSFET管。

由步進(jìn)電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路原理可知，電流在繞組中流動(dòng)是兩個(gè)完全相反的方向。推動(dòng)級(jí)的信號(hào)邏輯應(yīng)使對(duì)角線晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通，以免造成高低壓管的直通。

另外，步進(jìn)電機(jī)的繞組是感性負(fù)載，在通電時(shí)，隨著電機(jī)運(yùn)行頻率的升高，而過渡的時(shí)間常不變，使得繞組電流還沒來得及達(dá)到穩(wěn)態(tài)值又被切斷，平均電流變小，輸出力矩下降，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率高到一定的時(shí)候?qū)a(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步現(xiàn)象。因此，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)除了電機(jī)的設(shè)計(jì)盡量地減少繞組電感量外，還要對(duì)驅(qū)動(dòng)電源采取措施，也就是提高導(dǎo)通相電流的前后沿陡度以提高電機(jī)運(yùn)行的性能。

步進(jìn)電機(jī)的缺陷是高頻出力不足，低頻振蕩，步進(jìn)電機(jī)的性能除電機(jī)自身固有的性能外，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源也直接影響電機(jī)的特性。要想改善步進(jìn)電機(jī)的頻率特性，就必須提高電源電壓。

電路設(shè)計(jì)

圖2給出了驅(qū)動(dòng)器AB相線圈功率驅(qū)動(dòng)部分原理圖。

選用的功率MOSFET元件是IRFP460，其，ID=20A，VDss= 500 V，RDS(ON)=0。27Ω。

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(dāng)于圖1中的K1，K2，K3，K4和VD1，VD2，VD3，VD4。功率MOSFET管的控制信號(hào)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。

a.驅(qū)動(dòng)電流前后沿的改善

從步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性分析中知道，性能較高的驅(qū)動(dòng)器都要求提供的電流前后沿要陡，以便改善電機(jī)的高頻響應(yīng)。本驅(qū)動(dòng)器中由于功率MOSFET管柵極電容的存在，對(duì)該管的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際表現(xiàn)為對(duì)柵極電容的充、放電。極間電容越大，在開關(guān)驅(qū)動(dòng)中所需的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)功率MOSFET管，則電路在MOSFET管帶感性負(fù)載時(shí)，上升時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)造成動(dòng)態(tài)損耗增大。為改進(jìn)功率MOSFET管的快速開通時(shí)間，同時(shí)也減少在前級(jí)門電路上的功耗，采用圖2虛線框內(nèi)的左下臂驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，當(dāng)U14輸出低電平時(shí)，功率MOSFET管VT2的柵極電容通過1N4148被短路至地，這時(shí)U14吸收電流的能力受U14內(nèi)部導(dǎo)通管所允許通過的電流限制。而當(dāng)U14輸出為高電平時(shí)，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。

b.保護(hù)功能

圖2虛線框中，1N4744是柵源間的過壓保護(hù)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(huì)通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)幅度的VCS脈沖電壓。這一電壓會(huì)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(dá)不到損壞器件的程度，但會(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此，要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個(gè)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(fù)二極管。當(dāng)不接VD11，VD12，VD13，VD14時(shí)，假定此時(shí)電機(jī)AB相繞組由VT1管(和VT4管)驅(qū)動(dòng)，即VT2管(和VB)截止，VT1管(和VT4管)導(dǎo)通，電流經(jīng)VT1管流過繞組。當(dāng)下一個(gè)控制信號(hào)使VT1管關(guān)斷時(shí)，負(fù)載繞組的續(xù)流電流經(jīng)VT2的內(nèi)接快恢復(fù)二極管從地獲取。此時(shí)，VT2管的漏源電壓即是該快恢復(fù)二極管的通態(tài)壓降，為一很小的負(fù)值。當(dāng)VT1再次導(dǎo)通時(shí)，該快恢復(fù)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(fù)二極管兩端，會(huì)使快恢復(fù)二極管出現(xiàn)恢復(fù)效應(yīng)，即有一個(gè)很大的電流流過加有反向電壓的快恢復(fù)二極管。為了抑制VT2管內(nèi)的快恢復(fù)二極管出現(xiàn)這種反向恢復(fù)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(fù)二極管VD11，VD14的作用是為電機(jī)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(fù)二極管不流過反向電流，以保證VT1，VT2在動(dòng)態(tài)工作時(shí)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(duì)圖2電路的分析可知，信號(hào)a=1，b=1的情況是不允許存在的，否則將因同時(shí)導(dǎo)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(jìn)電機(jī)運(yùn)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(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間，總稱關(guān)斷時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，晶體管并沒完全關(guān)斷。

若在此期間，另一個(gè)晶體管導(dǎo)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(shí)電路，以使H橋電路上、下兩管交替導(dǎo)通時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)“死區(qū)時(shí)間”，先關(guān)后開，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。

本驅(qū)動(dòng)器電源驅(qū)動(dòng)部分線路簡(jiǎn)單，通過對(duì)電流前后沿的合理設(shè)計(jì)，降低了開關(guān)損耗，改善了電機(jī)的高頻特性，并具有多種保護(hù)功能，實(shí)際使用中效果良好。

來源 | 暢學(xué)電子