專利名稱：同步補償式脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
同步補償式脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)。
本實用新型涉及脈沖功率驅(qū)動電源。
本實用新型與一般的脈沖功率驅(qū)動電源(單高壓式驅(qū)動電源高低壓式驅(qū)動電源，恒流源式驅(qū)動電源等)主要區(qū)別之處在于本驅(qū)動系統(tǒng)是采用了反電動勢脈沖同步補償方法，設計脈沖功率驅(qū)動源，利用步進電機繞組在脈沖工作狀態(tài)下產(chǎn)生的反電動勢脈沖電壓，通過補償電路，來補償功放輸出級的工作電壓?？梢栽龃筝敵鲭娏?，提高驅(qū)動力矩。同時具有很好的矩頻特性，它不同一般驅(qū)動電源矩頻特性那樣隨頻率增加輸出力矩減小，而是隨頻率增加輸出力矩保持不變或有所增加的規(guī)律性。本驅(qū)動系統(tǒng)由于反電動勢能量得到利用，直流高壓可以減小，動態(tài)損耗成平方關系降低，驅(qū)動系統(tǒng)的熱效應與穩(wěn)定性問題得到了解決，使工作可靠性提高。
本實用新型的目的是，為了數(shù)控系統(tǒng)中的驅(qū)動電源具有好的矩頻特性，增大輸出力矩，提高工作可靠性。
本驅(qū)動系統(tǒng)由五部分組成見圖1，輸入接口電路(I)，功放電路(II)，補償電路(III)，電源電路(IV)，步進電機負載(V)。
本驅(qū)動系統(tǒng)的基本原理，電路結(jié)構(gòu)和連接關系是基本工作原理脈沖控制信號通過接口電路，送入功放電路經(jīng)功放放大后，輸出脈沖電流，供給步進電機驅(qū)動運轉(zhuǎn)。
電路結(jié)構(gòu)圖1(I)接口電路由PIO和反向驅(qū)動器構(gòu)成圖1(II)功放電路由光電隔離器，脈沖放大級，功放推動級，功放輸出級構(gòu)成。圖1(III)補償電路由全橋整流電路構(gòu)成。圖1(IV)電源電路，由經(jīng)穩(wěn)壓輸出有+5V，E1，E2，E3和未經(jīng)穩(wěn)壓輸出的有直流高壓EH，低壓EX，EZ組成。
電路連接關系見圖2。
本驅(qū)動系統(tǒng)的功放輸出級設計中采用了反電動勢脈沖同步補償方法，并且接入了補償電路，目的是把反電動勢脈沖電壓加到功放輸出級高壓兩端上，達到提高輸出電流，增大驅(qū)動力矩。它的理論根據(jù)是，當微機數(shù)控系統(tǒng)中的執(zhí)行元件為步進電機時，它的每相繞組Lφ在工作過程中它是一個變電感負載阻抗，它在脈沖電磁場下運動時繞組中會產(chǎn)生反電動勢Ei＝-Lφ*dI/dt波形見圖3，其幅值為電源電壓的幾倍之多，通過實際測試(MCL-2A型補償式驅(qū)動源)Ei＝3～3.5EH(EH為直流高壓)。Ei這種高電壓能量設法利用是十分有益的。在脈沖驅(qū)動源中可以得到利用的根據(jù)是數(shù)控系統(tǒng)中的脈沖驅(qū)動源它是按照計算機在一定程序控制下，嚴格按照一定的時間關系輸出脈沖，每相繞組工作時產(chǎn)生的反電動勢與時間關系，也是由計算機工作程序決定的，繞組中的工作電壓和反電動勢與時間關系的波形見圖4(三相六拍方式)。
應用反電動勢脈沖同部補償方法的原理經(jīng)過補償電路，把A相繞組運動時產(chǎn)生的反電動勢脈沖電壓取出來，用來補償與它同步運行的C相或B相工作時的電源電壓。同理B相的用來補償A相或C相工作時的電源電壓。C相的用來補償A相或B相工作時的電源電壓，各相的補償關系見圖4，圖中虛線所指向的關系為補償關系。
時間為t1時，A相的反電動勢脈沖用來補償與它同步運動的C相，t2時C相的反電動勢脈沖用來補償與它同步運動的A相，t3時，B相的反電動勢脈沖用來補償與它同步運動的A相這樣有規(guī)律的循環(huán)下去，使每相運動一步都會得到其他相繞組產(chǎn)生的反電勢脈沖電壓來補償。
補償電路的基本原理、結(jié)構(gòu)和它與直流高壓電源的連接關系，步進電機在脈沖電壓下工作時，每相繞組中產(chǎn)生的反電動勢脈沖電壓為一交變電壓。它可等效為一個交流電壓源，繞組兩端相當于交流電壓源的輸出繞組的兩端，補償電路為四個二極管構(gòu)成的一個全橋整流電路，它與繞組和直流電壓源的連接方法見圖5。繞組的兩端分別連接到補償電路輸入兩端上，補償電路的輸出兩端并聯(lián)方式接到直流高壓電源的正端和地端上(為公共地)，通過補償電路把反電動勢交變脈沖電壓變換為直流電壓，用并聯(lián)方式接入到直流高壓電源上，從而通過高壓使功率輸出級得到補償。步進電機每相繞組都有一個獨立的補償電路，部分別以并聯(lián)方式接入到直流高壓電源兩端上。接入補償電路后，加到功放輸出級上的直流高壓為EA＝EH+ΔEio(n)(n為電機轉(zhuǎn)速)ΔEio(n)與n成正比關系，n與工作頻率f有關，則EA與f(n)也是正比關系，見圖6。
接入補償電路后，流過負載的電流為I3＝I2+I1，見圖7，I3為流過繞組負載的總電流。I1為EN供給的電流，I2為ΔEi0(n)供給的電流。由于通過繞組負載的電流I3與I2成正比關系，I2與n有關，n與工作頻率f有關，所以I3與f有關，都為正比關系。
本實用新型的積極效果應用反電動勢脈沖同步補償關系，把步進電機繞組中的反電動勢能量得到了利用，提高了驅(qū)動電源的脈沖輸出電流值，增大了輸出力矩，具有很好的矩頻特性。改變了傳統(tǒng)的矩頻特性的規(guī)律性，力矩不是隨頻率增加而減小，而是隨頻率增加而有所增加或保持不變，見圖8所示，由于采用了反電動勢脈沖同步補償關系，可以適當減小功放輸出級的直流高壓EH值，使脈沖功放管的動態(tài)損耗成平方關系減小。使功放管輸出級的熱效應與穩(wěn)定性問題得到解決。


圖1為同步補償式脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)。其中標號(I)為輸入接口電路。標號(II)為功放電路，它包括光電隔離器，脈沖放大級，功放推動級，功放輸出級等電路。標號(III)為反電動勢脈沖同步補償電路。標號(IV)為電源電路，它包括經(jīng)穩(wěn)壓的電壓源+5V，E1，E2，E3，未經(jīng)穩(wěn)壓的電壓源有EH和EZ，EX。標號(V)為步進電機繞組負載。
圖2為同步補償式脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和連接關系圖(X和Z兩坐標三相電路)。其中標號VRPS為穩(wěn)壓器；LVPS為低壓電源；輸出有E1、E2、E3；PS為功放電源PF為補償電路；Lφ為步進電機繞組；PAHX為X坐標高壓功放電路；PAHZ為Z坐標高壓功放電路；PAX1為X坐標功放電路；PAZ1為Z坐標功放電路。
圖3為反電動勢波形圖。
圖4為各相反電動勢補償關系圖。
圖5為補償電路結(jié)構(gòu)連接圖。
圖6為補償后直流高壓EA與f(n)的關系圖。
圖7為補償后繞組負載上的電流關系圖。
圖8為同步補償式脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)的矩頻特性圖。
圖9為同步補償式脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)的實施例圖。
實施例應用于改造車床(C6140)設備的同步補償式驅(qū)動系統(tǒng)，電路結(jié)構(gòu)連接關系，無件型號、參數(shù)等見圖9。圖9為一相繞組驅(qū)動電路，其它各項均相同。步進電機11OBF-1，E1＝15V，E2＝10V，EX＝EZ＝5V，EH＝56V。補償電路由四個二極管D構(gòu)成。
本驅(qū)動系統(tǒng)已用于改造C6140車床為兩用設備，即手工操作和自動數(shù)控加工，不拆原機床零件，保留了原機全部功能。
權(quán)利要求1.同步補償式脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)，由五部分組成輸入接口電路(I)，功放電路(II)，補償電路(III)電源電路(IV)，步進電機負載(V)，本實用新型的特證是采用反電動勢脈沖同步補償方法，設計脈沖功放驅(qū)動源，將步進電機繞組在脈沖狀態(tài)下產(chǎn)生的反電動勢脈沖電壓，通過補償電路，以并聯(lián)方式連接到功放輸出級的直流高壓電源兩端上，補償工作電壓值，使輸出電流增大，提高了驅(qū)動力矩，具有好的矩頻特性。
2.根據(jù)權(quán)力要求1的驅(qū)動系統(tǒng)，其特征是步進電機繞組產(chǎn)生的反電動勢脈沖交變電壓，將它等效為一交變電源，電機繞組等效為這一交變電源的輸出繞組，繞組的兩端分別接到補償電路的輸入兩端上，補償電路的輸出兩端并聯(lián)接入到直流高壓電源的兩端上(其中有一公共地端)，它再與直流高壓一起加到功放輸出級上。
專利摘要同步補償式脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)，本實用新型為數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動電源，設計中采用了反電動勢脈沖同步補償方法，將電機繞組中產(chǎn)生的反電動勢電壓，用于功放輸出極上。具有提高輸出電流增大驅(qū)動力矩，改變矩頻特性的規(guī)律性，電路結(jié)構(gòu)上簡單。
文檔編號H02P8/00GK2037900SQ8821491
公開日1989年5月17日 申請日期1988年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月20日
發(fā)明者文紹白, 阮惠, 王文木 申請人:國營北京紅旗機械廠