步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

沈紹敏 靳璐

摘要

步進(jìn)電機(jī)又被稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，具有小型化以及低成本的特點(diǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。隨著第三次科技革命以及信息技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)也不斷地改進(jìn)和完善。我國步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展要比西方發(fā)達(dá)國家起步晚，隨著我國科技水平的不斷提高，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。本文從步進(jìn)電機(jī)的概念入手，闡述了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展情況，最后詳細(xì)介紹了細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的原理，以期為相關(guān)研究人員提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電，并且多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的多相時(shí)序控制器。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化領(lǐng)域的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

1 步進(jìn)電機(jī)的概述

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)沒有電刷，因此可靠性非常高，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)僅僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因此步進(jìn)電機(jī)可以開環(huán)控制，所以步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，并且極大程度上節(jié)省了控制成本，步進(jìn)電機(jī)的各種優(yōu)勢(shì)也是步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的原因。

雖然步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但是步進(jìn)電機(jī)依舊不能像普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)那樣在常規(guī)下使用，必須有雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此想要充分的利用步進(jìn)電機(jī)，就要掌握機(jī)械、電機(jī)、電子以及計(jì)算機(jī)等各個(gè)方面的專業(yè)知識(shí)。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展情況

2.1 電源功放級(jí)使用元器件發(fā)展

一般情況下末級(jí)控制器都是可控硅，可控硅的體積小，效率高，壽命也非常長，但是可控硅的可靠性非常低，并且后期的調(diào)試和維護(hù)也有一定的難度，抗干擾能力也相對(duì)較差，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，可控硅逐漸被淘汰，發(fā)展至今已經(jīng)很少用可控硅作末級(jí)控制器了。

晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件，控制非常方便，并且調(diào)試也非常簡單，而且晶體管采用了先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝方法，使晶體管的耐壓效果比可控硅高很多，所以近幾年大功率晶體管的應(yīng)用越來越廣泛，并且被廣泛應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中電源的末級(jí)功放元件。并且隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中電源的末級(jí)功放元件逐漸向著低成本、高效率的方向發(fā)展。

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管綜合了大功率雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的優(yōu)點(diǎn)，因此金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管在保證高功率的基礎(chǔ)上還兼顧了高耐壓及高增益，而且不會(huì)出現(xiàn)溫度失控的情況，同時(shí)還能有效的預(yù)防二次擊穿情況的發(fā)生，所以利用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以極大程度的提高驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)發(fā)展

二十世紀(jì)六十年代初期的時(shí)候，國外就己經(jīng)在大量的使用單電壓的驅(qū)動(dòng)電路，單電壓的驅(qū)動(dòng)電路一般應(yīng)用于小功率步進(jìn)電機(jī)當(dāng)中。發(fā)展到二十世紀(jì)六十年代末期的時(shí)候，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)電路，又稱為雙電壓驅(qū)動(dòng)電路，可以分為定時(shí)控制驅(qū)動(dòng)和脈沖變壓器式驅(qū)動(dòng)。二十世紀(jì)七十年代中期的時(shí)候出現(xiàn)了斬波電路，斬波電路可以讓電流在固定的數(shù)值之內(nèi)上下波動(dòng)，從而形成波浪形的波動(dòng)，這樣的原理極大程度上的增加了電流繞組的電流有效值，從而使電極的輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的增大，雖然轉(zhuǎn)矩增大，但是依舊能保持相對(duì)的恒定，并且不需要外接電阻來維持整個(gè)電路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣的情況也說明斬波電路在保證電源效率的同時(shí)，極大程度上減少了功耗，所以斬波電路的應(yīng)用范圍非常廣泛。上世紀(jì)七十年代出現(xiàn)了細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路建立在步進(jìn)電機(jī)的各相繞組理想對(duì)稱和矩角特性嚴(yán)格正弦的基礎(chǔ)之上。細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性非常高，并且極大程度上的提高了勻速性，同時(shí)能夠有效的減輕電路運(yùn)轉(zhuǎn)可能出現(xiàn)的震蕩，甚至完全消除震蕩，所以隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用越來越廣泛，因?yàn)榧?xì)分驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)更加滿足人們對(duì)驅(qū)動(dòng)電源電路結(jié)構(gòu)的要求。

3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的原理

細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的各種優(yōu)勢(shì)使得細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。現(xiàn)今步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)采用的都是單片微機(jī)控制。按照末級(jí)功放管的工作狀態(tài)分類，可以將細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路分為放大型和開關(guān)型兩種。放大型的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中的末級(jí)功放管的輸出電流直接受單片機(jī)輸出的控制電壓控制，因此電路相對(duì)簡單，并且對(duì)于電流的控制能力也相對(duì)較強(qiáng)，但是末級(jí)功放管長時(shí)間處于放大的狀態(tài)，極大程度上增加了功耗，發(fā)熱情況非常嚴(yán)重，使得整個(gè)電路的溫度過高，很容易發(fā)生意外情況。例如晶體管溫漂或者熱擊穿，從而影響整個(gè)電路的正常工作，所以放大型的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路一般應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)電流小、控制精度較高并且散熱情況非常好的工作場(chǎng)合。而開關(guān)型的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的末級(jí)功放管工作處于開關(guān)狀態(tài)，因此能夠極大程度上降低功耗，并且也不存在放大型的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱嚴(yán)重的情況，但是開關(guān)型細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度非常高，并且輸出的電流具有一定的紋波，所以開關(guān)型的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路一般應(yīng)用在輸出力矩極大的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)當(dāng)中。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)會(huì)越來越完善，隨著步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的越來越完善，步進(jìn)電機(jī)會(huì)更加廣泛的應(yīng)用于更多領(lǐng)域，并且就目前的發(fā)展形勢(shì)來看，智能化以及自動(dòng)化將是步進(jìn)電機(jī)未來的發(fā)展方向，而智能化以及自動(dòng)化的步進(jìn)電機(jī)將會(huì)給人們帶來更大的便利，從而有效的推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步。

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