CN2037900U

CN2037900U - 同步补偿式脉冲功率驱动系统

Info

Publication number: CN2037900U
Application number: CN 88214917
Authority: CN
Inventors: 文绍白; 阮惠; 王文木
Original assignee: HONGQI MACHINE FACTORY BEIJING
Current assignee: HONGQI MACHINE FACTORY BEIJING
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1988-10-20
Publication date: 1989-05-17

Abstract

同步补偿式脉冲功率驱动系统，本实用新型为数控系统的驱动电源，设计中采用了反电动势脉冲同步补偿方法，将电机绕组中产生的反电动势电压，用于功放输出极上。具有提高输出电流增大驱动力矩，改变矩频特性的规律性，电路结构上简单。

Description

同步补偿式脉冲功率驱动系统。

本实用新型涉及脉冲功率驱动电源。

本实用新型与一般的脉冲功率驱动电源(单高压式驱动电源高低压式驱动电源，恒流源式驱动电源等)主要区别之处在于本驱动系统是采用了反电动势脉冲同步补偿方法，设计脉冲功率驱动源，利用步进电机绕组在脉冲工作状态下产生的反电动势脉冲电压，通过补偿电路，来补偿功放输出级的工作电压。可以增大输出电流，提高驱动力矩。同时具有很好的矩频特性，它不同一般驱动电源矩频特性那样随频率增加输出力矩减小，而是随频率增加输出力矩保持不变或有所增加的规律性。本驱动系统由于反电动势能量得到利用，直流高压可以减小，动态损耗成平方关系降低，驱动系统的热效应与稳定性问题得到了解决，使工作可靠性提高。

本实用新型的目的是，为了数控系统中的驱动电源具有好的矩频特性，增大输出力矩，提高工作可靠性。

本驱动系统由五部分组成：见图1，输入接口电路(I)，功放电路(II)，补偿电路(III)，电源电路(IV)，步进电机负载(V)。

本驱动系统的基本原理，电路结构和连接关系是：

基本工作原理：脉冲控制信号通过接口电路，送入功放电路经功放放大后，输出脉冲电流，供给步进电机驱动运转。

电路结构：图1(I)接口电路由PIO和反向驱动器构成图1(II)功放电路由光电隔离器，脉冲放大级，功放推动级，功放输出级构成。图1(III)补偿电路由全桥整流电路构成。图1(IV)电源电路，由经稳压输出有+5V，E₁，E₂，E₃和未经稳压输出的有直流高压E_H，低压E_X，E_Z组成。

电路连接关系见图2。

本驱动系统的功放输出级设计中采用了反电动势脉冲同步补偿方法，并且接入了补偿电路，目的是把反电动势脉冲电压加到功放输出级高压两端上，达到提高输出电流，增大驱动力矩。它的理论根据是，当微机数控系统中的执行元件为步进电机时，它的每相绕组L_φ在工作过程中它是一个变电感负载阻抗，它在脉冲电磁场下运动时绕组中会产生反电动势E_i＝-L_φ*dI/dt波形见图3，其幅值为电源电压的几倍之多，通过实际测试(MCL-2A型补偿式驱动源)E_i＝3～3.5E_H(E_H为直流高压)。E_i这种高电压能量设法利用是十分有益的。在脉冲驱动源中可以得到利用的根据是：数控系统中的脉冲驱动源它是按照计算机在一定程序控制下，严格按照一定的时间关系输出脉冲，每相绕组工作时产生的反电动势与时间关系，也是由计算机工作程序决定的，绕组中的工作电压和反电动势与时间关系的波形见图4(三相六拍方式)。

应用反电动势脉冲同部补偿方法的原理：经过补偿电路，把A相绕组运动时产生的反电动势脉冲电压取出来，用来补偿与它同步运行的C相或B相工作时的电源电压。同理B相的用来补偿A相或C相工作时的电源电压。C相的用来补偿A相或B相工作时的电源电压，各相的补偿关系见图4，图中虚线所指向的关系为补偿关系。

时间为t₁时，A相的反电动势脉冲用来补偿与它同步运动的C相，t₂时C相的反电动势脉冲用来补偿与它同步运动的A相，t₃时，B相的反电动势脉冲用来补偿与它同步运动的A相这样有规律的循环下去，使每相运动一步都会得到其他相绕组产生的反电势脉冲电压来补偿。

补偿电路的基本原理、结构和它与直流高压电源的连接关系，

步进电机在脉冲电压下工作时，每相绕组中产生的反电动势脉冲电压为一交变电压。它可等效为一个交流电压源，绕组两端相当于交流电压源的输出绕组的两端，补偿电路为四个二极管构成的一个全桥整流电路，它与绕组和直流电压源的连接方法见图5。绕组的两端分别连接到补偿电路输入两端上，补偿电路的输出两端并联方式接到直流高压电源的正端和地端上(为公共地)，通过补偿电路把反电动势交变脉冲电压变换为直流电压，用并联方式接入到直流高压电源上，从而通过高压使功率输出级得到补偿。步进电机每相绕组都有一个独立的补偿电路，部分别以并联方式接入到直流高压电源两端上。接入补偿电路后，加到功放输出级上的直流高压为E_A＝E_H+ΔE_io(n)(n为电机转速)ΔE_io(n)与n成正比关系，n与工作频率f有关，则E_A与f(n)也是正比关系，见图6。

接入补偿电路后，流过负载的电流为I₃＝I₂+I₁，见图7，I₃为流过绕组负载的总电流。I₁为E_N供给的电流，I₂为ΔE_i0(n)供给的电流。由于通过绕组负载的电流I₃与I₂成正比关系，I₂与n有关，n与工作频率f有关，所以I₃与f有关，都为正比关系。

本实用新型的积极效果：应用反电动势脉冲同步补偿关系，把步进电机绕组中的反电动势能量得到了利用，提高了驱动电源的脉冲输出电流值，增大了输出力矩，具有很好的矩频特性。改变了传统的矩频特性的规律性，力矩不是随频率增加而减小，而是随频率增加而有所增加或保持不变，见图8所示，由于采用了反电动势脉冲同步补偿关系，可以适当减小功放输出级的直流高压E_H值，使脉冲功放管的动态损耗成平方关系减小。使功放管输出级的热效应与稳定性问题得到解决。

附图说明：

图1为同步补偿式脉冲功率驱动系统。其中标号(I)为输入接口电路。标号(II)为功放电路，它包括光电隔离器，脉冲放大级，功放推动级，功放输出级等电路。标号(III)为反电动势脉冲同步补偿电路。标号(IV)为电源电路，它包括经稳压的电压源+5V，E₁，E₂，E₃，未经稳压的电压源有E_H和E_Z，E_X。标号(V)为步进电机绕组负载。

图2为同步补偿式脉冲功率驱动系统的电路结构和连接关系图(X和Z两坐标三相电路)。其中标号VRPS为稳压器；LVPS为低压电源；输出有E₁、E₂、E₃；PS为功放电源PF为补偿电路；L_φ为步进电机绕组；PA_HX为X坐标高压功放电路；PA_HZ为Z坐标高压功放电路；PA_X1为X坐标功放电路；PA_Z1为Z坐标功放电路。

图3为反电动势波形图。

图4为各相反电动势补偿关系图。

图5为补偿电路结构连接图。

图6为补偿后直流高压E_A与f(n)的关系图。

图7为补偿后绕组负载上的电流关系图。

图8为同步补偿式脉冲功率驱动系统的矩频特性图。

图9为同步补偿式脉冲功率驱动系统的实施例图。

实施例：应用于改造车床(C6140)设备的同步补偿式驱动系统，电路结构连接关系，无件型号、参数等见图9。图9为一相绕组驱动电路，其它各项均相同。步进电机11OBF-1，E₁＝15V，E₂＝10V，E_X＝E_Z＝5V，E_H＝56V。补偿电路由四个二极管D构成。

本驱动系统已用于改造C6140车床为两用设备，即手工操作和自动数控加工，不拆原机床零件，保留了原机全部功能。

Claims

1.同步补偿式脉冲功率驱动系统，由五部分组成：输入接口电路(I)，功放电路(II)，补偿电路(III)电源电路(IV)，步进电机负载(V)，

本实用新型的特证是采用反电动势脉冲同步补偿方法，设计脉冲功放驱动源，将步进电机绕组在脉冲状态下产生的反电动势脉冲电压，通过补偿电路，以并联方式连接到功放输出级的直流高压电源两端上，补偿工作电压值，使输出电流增大，提高了驱动力矩，具有好的矩频特性。

2.根据权力要求1的驱动系统，其特征是步进电机绕组产生的反电动势脉冲交变电压，将它等效为一交变电源，电机绕组等效为这一交变电源的输出绕组，绕组的两端分别接到补偿电路的输入两端上，补偿电路的输出两端并联接入到直流高压电源的两端上(其中有一公共地端)，它再与直流高压一起加到功放输出级上。