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卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 |
| 發(fā)布時(shí)間：2020/1/10 15:48:30 |
卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制
卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制功能由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器完成。卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器由環(huán)形分配器和功率放大器組成，主要功能是將CNC系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)進(jìn)行控制，使脈沖頻率增大或者減小，然后按一蹙的配電方式循環(huán)送給卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組，來實(shí)現(xiàn)卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正、反向和加、減速旋轉(zhuǎn)。
1．環(huán)形分配器
環(huán)形分配器的功能是進(jìn)行脈沖分配，它接收CNC系統(tǒng)插補(bǔ)器輸出的指令脈沖，將這個(gè)單序列脈沖轉(zhuǎn)換為卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要的多序列脈沖，然后送到功率放大器，使相應(yīng)的定子繞組斷電或者通電，以實(shí)現(xiàn)卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相應(yīng)動(dòng)作。環(huán)形分配器可以由硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以由軟件實(shí)現(xiàn)。
1)硬件環(huán)形分配器
硬件環(huán)形分配器分為”吼脈沖分配器和CMOS脈沖分配器。11幾類型的脈沖分配器的基本構(gòu)成是觸發(fā)器和邏輯門，每個(gè)觸發(fā)器發(fā)出一個(gè)序列脈沖，用來控制卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相應(yīng)定子繞組的通斷電。因此，卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有幾相，就需要環(huán)形分配器轉(zhuǎn)換幾相序列脈沖，就需要設(shè)置幾個(gè)觸發(fā)器。圖6—5所示為硬件環(huán)形分配器原理圖。進(jìn)給脈沖方向控制
圖5硬件環(huán)形分配器原理圖
硬件環(huán)形分配器由集成電路的觸發(fā)器、邏輯門等構(gòu)成。圖中是一個(gè)三相六拍的脈沖分配器，由三個(gè)D觸發(fā)器和與非門組成。環(huán)形分配器的輸出端QA、QB和Qc分別控制電動(dòng)機(jī)的三相繞組。當(dāng)方向控制信號(hào)為“1”時(shí)，三相六拍的運(yùn)行方式是“A—AB—B—Bc—C--*CA…”，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。反之，當(dāng)方向控制信號(hào)為“0”時(shí)，三相六拍的運(yùn)行方式是“CA—C—CB—B—BA—A…”，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)給時(shí)環(huán)行分配器真值表如表1所示。
表1 進(jìn)給時(shí)環(huán)行分配器真值表
CP | DA | DB | Dc | QA | QB | Qc | 通電相 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | A | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | l | 0 | AB | 2 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | B | 3 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | BC | 4 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | C | 5 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | l | CA | 6 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | A |
2)軟件環(huán)形分配器
軟件環(huán)形分配器的工作連接如圖6所示。軟件環(huán)形分配器的功能由CNC系統(tǒng)中的軟件來完成，CNC系統(tǒng)控制卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各個(gè)繞組的通電、斷電，對(duì)不同相數(shù)、不同種類、不同分配方式的卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只需要編制相應(yīng)的控制程序，將其存入CNC系統(tǒng)中即可。
圖6軟件環(huán)形分配器連接圖
2．功率放大器
環(huán)形分配器輸出的脈沖信號(hào)功率很小，電壓幅度只有5 v左右，電流幅度為mA級(jí)，因此，要進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。功率放大器由前置放大器和大功率放大器兩部分組成。前置放大器負(fù)責(zé)放大環(huán)形分配器送來的脈沖信號(hào)，即進(jìn)給控制信號(hào)，并推動(dòng)大功率驅(qū)動(dòng)部分。前置放大器由若干級(jí)反相器、射極跟隨器等組成。大功率放大器進(jìn)一步將信號(hào)放大，輸出卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各繞組所需電流。
功率放大器的質(zhì)量直接影響卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能。功率放大器的負(fù)載為卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組，是強(qiáng)感性負(fù)載，其中的電流不能突然發(fā)生變化，相電流從零上升到額定電流和從額定電流下降到零，都需要一段時(shí)間。延時(shí)將影響卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能，尤其是電動(dòng)機(jī)在高速工作時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)急劇下降。對(duì)卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一般的要求如下：
(1)失真要小，通電周期內(nèi)能提供足夠大的矩形波或接近矩形波的電流；
(2)具有截止期間釋放電流的回路，用來降低繞組兩端的反電動(dòng)勢，加快電流衰減；
(3)要求驅(qū)動(dòng)電源效率高、功耗低：
(4)要求驅(qū)動(dòng)電源運(yùn)行可靠、穩(wěn)定：
(5)要求驅(qū)動(dòng)器的安裝調(diào)試和維修方便。
常用的功率放大電路有單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流斬波驅(qū)動(dòng)等。多采用大功率晶體管(GTR)、場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或者可關(guān)斷晶閘管(GTO)作為功率半導(dǎo)體元件。
1)單電壓驅(qū)動(dòng)電路
單電壓驅(qū)動(dòng)電路是應(yīng)用最早的功率放大電路，原理圖如圖6．7所示。
L3是卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相繞組，各項(xiàng)繞組均由相應(yīng)的放大器驅(qū)動(dòng)，三相放大器完全相同。工作時(shí)，脈沖信號(hào)輸入各端，經(jīng)過放大器后，輸入信號(hào)電流放大。沒有脈沖信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組沒有電流通過，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖輸入第一端，其中的兩級(jí)三極管均飽和導(dǎo)通，Lt有電流通過，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。第二個(gè)脈沖輸入第二端，L2有電流通過，卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再轉(zhuǎn)動(dòng)一步，同樣，第三個(gè)脈沖輸入第三端，L3得電，電動(dòng)機(jī)再轉(zhuǎn)一步。這樣脈沖序列依次輸入三端，三組放大器依次驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三相繞組，電動(dòng)機(jī)一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)，這里的工作方式稱為三相單三拍。
這種電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、成本低，但是串接的電阻在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，功耗較大，尤其在高頻工作時(shí)對(duì)電源的正常工作極其不利。因此，它一般用在小功率、對(duì)運(yùn)行頻率要求不高的場合。
圖7卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單電壓驅(qū)動(dòng)電路
2)高低壓驅(qū)動(dòng)電路
高低電壓驅(qū)動(dòng)方式是在單電壓驅(qū)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，為解決單電壓驅(qū)動(dòng)的快速性問題而發(fā)展起來的一種供電驅(qū)動(dòng)方式。圖8所示是卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相繞組的高低壓驅(qū)動(dòng)電路。
圖8卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相繞組的高低電壓驅(qū)動(dòng)電路，其基本原理是在脈沖到來時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組兩端先加一較高電壓，使繞組電流快速建蔫之后改用低電壓，以維持相電流的大小。電路無脈沖輸入時(shí)，VTl、VT2、VT3 VT4都琴止，電動(dòng)機(jī)繞組沒有電流通過，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。有脈沖輸入時(shí)，VTl、VT2、vT3和VT4飽穆導(dǎo)通，由截止?fàn)顟B(tài)到飽和狀態(tài)期間，脈沖變壓器的初級(jí)電流快速上升，變壓器次級(jí)感應(yīng)個(gè)電壓，使得VT3導(dǎo)通，這就產(chǎn)生一個(gè)高壓U1加到電動(dòng)機(jī)繞組上，當(dāng)VT2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，變壓器初級(jí)電流暫定，次級(jí)感應(yīng)電壓降低為零，VT3處于截止?fàn)顟B(tài)，這是低電壓覘加到繞組上，并維持繞組中的電流恒定。
這種驅(qū)動(dòng)電路使電流波形得到很大改善，電動(dòng)機(jī)的矩頻特性良好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率都有很大提高，但是在高壓工作結(jié)束，低壓工作開始的銜接處，電動(dòng)機(jī)的輸出力矩有所下降。
3)恒流斬潑驅(qū)動(dòng)電路
高低壓驅(qū)動(dòng)電路的高低壓銜接處電流波形為凹形，為彌補(bǔ)這一缺陷，發(fā)展了恒流斬波驅(qū)動(dòng)技術(shù)，確保卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電流恒定保持在額定值附近。圖6-9所示為一種經(jīng)典的恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖。它是單極型驅(qū)動(dòng)方式，充分利用電源電壓，工作頻率范圍寬，在很大程度上改善了電流波形、矩頻特性，并且不需要外接限流電阻，因此，功耗大大降低，提高了電源的工作效率。
圖9恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖
隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)，以及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)不斷完善并且趨于成熟，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置也發(fā)展成為模塊化的驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和性能決定了卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)，同一臺(tái)卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配合不同類型的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，其性能會(huì)產(chǎn)生差異。對(duì)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，也需要對(duì)卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理進(jìn)行深入了解。隨著步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展，使得卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用，也使得卷板機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器成為不可分割的整體。
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