功率放大电路设计与优化

从环形分配器输出的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组需要几安培的电流，因此功率放大电路的作用就是对从环形分配器输出的信号进行功率放大并送至步进电动机的各绕组。功率放大电路的控制方式很多，最早采用单电压驱动电路，后来出现了高低电压切换驱动电路、恒流斩波电路、调频调压和细分电路等。所采用的功率半导体元件可以是大功率晶体管（简称GTR），也可以是功率场效应晶体管（简称功率MOSFET）或门极关断晶闸管（简称GTO）。

1.高低电压切换驱动电路

高低电压驱动电路的特点是给步进电动机绕组的供电有高低两种电压，高压充电、低压供电，高压充电以保证电流以较快的速度上升，低压供电维持绕组中的电流为额定值。高压由电动机参数和晶体管的特性决定，一般在80V至更高范围；低压即步进电动机的额定电压，一般为几伏，不超过20V。

图5-8所示为高低电压切换驱动电路的工作原理图及波形。图中，由脉冲变压器T组成了高压控制电路。当输入脉冲信号为低电平时，VT₁、VT₂、VT_g、VT_d均截止，电动机绕组L_a中无电流通过，步进电动机不转动。当输入脉冲信号为高电平时，VT₁、VT₂、VT_d饱和导通，在VT₂由截止过渡到饱和导通期间，与T一次侧串联在一起的VT₂集电极回路的电流急剧增加，在T的二次侧产生感应电压，加到高压功率管VT_g的基极上，使VT_g导通，80V的高压经功率管VT_g加到步进电动机绕组L_a上，使电流按L_a/(R_d+r)的时间常数上升，经过一段时间，达到电流稳定值U_g/(R_d+r)，当VT₂进入稳定状态（饱和导通）后，T一次侧电流暂时恒定，无磁通量变化，T二次侧的感应电压为零，VT_g截止。这时12V低压电源经二极管VD_d加到绕组L_a上，维持L_a中的额定电流不变。当输入的脉冲结束后，VT₁、VT₂、VT_g、VT_d又都截止，储存在L_a中的能量通过R_g、VD_g及U_g、U_d构成回路放电，R_g使放电时回路时间常数减小，改善电流波形的后沿。放电电流的稳态值为(U_g−U_d)/(R_g+R_d+r)。

图5-8 高低电压切换驱动电路

a）电路图 b）波形图

该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，绕组上脉冲电流的前沿变陡，使电动机的转矩和起动及运行频率都得到提高。又由于额定电流由低电压维持，故只需较小的限流电阻，功耗较小。

该电路只供步进电动机的一相绕组工作，若为三相步进电动机则需三组电路供电，即步进电动机有几相就需要几组高低电压切换驱动电路。

高低压切换也可通过定时来控制。在每一个步进脉冲到来时，高压脉宽由定时电路控制，故称作高压定时控制驱动电源。

2.恒流斩波电路

斩波驱动电源也称定电流驱动电源，或称波顶补偿控制驱动电源。这种驱动电源的控制原理是随时检测绕组的电流值，当绕组电流值降到下限设定值时，便使高压功率管导通，使绕组电流上升，上升到上限设定值时，便关断高压管。这样，在一个步进周期内，高压管多次通断，使绕组电流在上、下限之间波动，接近恒定值，提高了绕组电流的平均值，有效地抑制了电动机输出转矩的降低。图5-9所示为恒流斩波放大电路原理图及波形。

图5-9 恒流斩波电路

a）电路图 b）波形图(www.xing528.com)

高压功率管VT_g的通断同时受到步进脉冲信号U_cp和运算放大器Q的控制。在步进脉冲信号U_cp到来时，一路经驱动电路驱动低压管VT_d导通，另一路通过VT₁和反相器D₁及驱动电路驱动高压管VT_g导通，这时绕组由高压电源U_g供电。随着绕组电流的增加，反馈电阻R_f上的电压U_f不断升高，当升高到比Q同相输入电压U_s高时，Q输出低电平，使晶体管VT₁的基极通过二极管VD₁接低电平。VT₁截止，门D₁输出低电平，这样，高压管VT_g关断了高压，绕组继续由低压U_d供电。当绕组电流下降时，U_f下降，当U_f<U_s时，运算放大器Q又输出高电平使二极管VD_l截止，VT₁又导通，再次开通高压管VT_g。这个过程在步进脉冲有效期内不断重复，使电动机绕组中电流的波顶的波动呈锯齿形变化，并限制在给定值上下波动。调节电位器RP，可改变运算放大器Q的翻转电压，即改变绕组中电流的限定值。运算放大器的增益越大，绕组的电流波动越小，电动机运转越平稳，电噪声也越小。

这种定电流控制的驱动电源，在运行频率不太高时，补偿效果明显。但运行频率升高时，因电动机绕组的通电周期缩短，高压管开通时绕组电流来不及升到整定值，所以波顶补偿作用就不明显了。通过提高高压电源的电压U_g，可以使补偿频段提高。

3.调频调压驱动电路

在电源电压一定时，步进电动机绕组电流的上冲值是随工作频率的升高而降低的，使输出转矩随电动机转速的提高而下降。要保证步进电动机高频运行时的输出转矩，就需要提高供电电压。前述的各种驱动电源都是为保证绕组电流有较好的上升沿和幅值而设计的，从而有效地提高了步进电动机的工作频率。但在低频运行时，会给绕组中注入过多的能量而引起电动机的低频振荡和噪声。调频调压驱动电路可以解决这个问题。

调频调压电路的基本原理是：当步进电动机在低频运行时，供电电压降低，当运行在高频段时，供电电压也升高。即供电电压随着步进电动机转速的增加而升高。这样，既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩。

在CNC系统中，可由软件配合适当硬件电路实现，如图5-10所示。U_CP是步进控制脉冲信号，U_CT是开关调压信号。U_CP和U_CT都由CPU输出。当U_CT输出一个负脉冲信号，晶体管VT₁和VT₂导通，电源电压U₁作用在电感L_s和电动机绕组W上，L_s感应出负电动势，电流逐渐增大，并对电容C充电，充电时间由负脉冲宽度t_on决定。在U_ct负脉冲过后，VT₁和VT₂截止，L_s又产生感应电动势，其方向是U₂处为正。此时，若VT₃导通，这个反电动势便经电动机绕组W→R_S→VT₃→地→VDl→L_s回路泄放，同时电容C也向绕组W放电。由此可见，向电动机绕组供电的电压U₂取决于VT₁和VT₂的开通时间，即取决于负脉冲宽度t_on。负脉冲宽度越大，U₂越高。因此，根据U_CP的频率，调整U_ct的负脉冲宽度，便可实现调频调压。

图5-10 调频调压驱动电源

4.细分驱动电路

前述的各种驱动电源，都是按电动机工作方式轮流给各相绕组供电，每换一次相，电动机就转动一步，即每拍电动机转动一个步距角。如果在一拍中，通电相的电流不是一次达到最大值，而是分成多次，每次使绕组电流增加一些。每次增加，都使转子转过一小步。同样，绕组电流的下降也是分多次完成。即通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，从而使步距角减少到原来的几分之一至几十分之一（一般不小于十分之一），因此，细分驱动也称微步驱动，它可以提高了步进电动机的分辨率，减弱甚至消除了振荡，会大大提高电动机运行的精度和平稳性。要实现细分，需将绕组中的矩形电流波变成阶梯形电流波。阶梯波控制信号可由很多方法产生，图5-11所示为一种恒频脉宽调制细分驱动电源，可由计算机提供D−A转换器的数字信号，该信号是与步进电动机各相电流相对应的值，D触发器的触发脉冲信号Um也可由计算机提供。当D−A转换器接收到数字信号后，即转换成相应的模拟信号电压U_s加在运算放大器Q的同相输入端，因这时绕组中电流还没跟上，故U_f<U_s，运算放大器Q输出高电平，D触发器在高频触发脉冲U_m的控制下，H端输出高电平，使功率晶体管VT₁和VT₂导通，电动机绕组中的电流迅速上升。当绕组电流上升到一定值时，U_f>U_s，运算放大器Q输出低电平，D触发器清零，VT₁和VT₂截止。以后当U_s不变时，由于运算放大器Q和触发器D构成的斩波控制电路的作用，使绕组电流稳定在一定值上下波动，即绕组电流稳定在一个新台阶上。当稳定一段时间后，再给D−A输入一个增加的电流数字信号，并起动D−A转换器，这样Us上升一个台阶，和前述过程一样，绕组电流也跟着上一个阶梯。当减小D−A的输入数字信号，U_s下降一个阶梯，绕组电流也跟着下降一个阶梯。由此，这种细分驱动电源，既实现了细分，又能保证每一个阶梯电流的恒定。

图5-11 恒频脉宽调制细分驱动电源

a）电路图 b）波形图