高压大电流步进电机驱动器异常保护措施研究

基金项目：国家自然科学基金（１０５７４０３８）定稿日期：２００６－０９－１５作者简介：陈秉岩（１９７８－），男，云南普洱人，研究方向为仪器仪表及自动化。１引言步进电机是一种控制用特种电机，其旋转以固定的角度即步距角一步步运行，特点是无积累误差，已广泛用于激光制造、医疗仪器、包装印刷、数控改造、工业自动化等各种开环控制领域［１，２］。步进电机驱动器是专门用于驱动步进电机的电子设备，它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，意即控制系统每发一个脉冲信号，驱动器就使步进电机旋转一步距角。控制步进脉冲信号的频率和脉冲个数，就可对电机进行精确调速和定位。使用不当、环境潮湿、渗水及灰尘等因素，均会引起步进电机及驱动器短路甚至烧毁，因此极有必要为其设计一个完善的保护电路。而在各种异常条件下对高压步进电机及驱动器的保护还存在一些特殊的问题需要特别考虑［３］。２异常工作情况分析２．１高压大电流两相混合式步进电机驱动电路高压大电流两相混合式步进电机的驱动通常采用图１所示的Ｈ桥电路。２．２驱动电路异常工作情况分析在驱动器的使用过程中，错相和过流是步进电机驱动器最常见的两种异常工作情况。错相是由于错接绕组造成电机同相绕组正负极短路，相间相互短路，绕组对地或对高压短路等。电机进水也会引起电机相绕组对地或对高压短路（同相绕组ＬＡ＋与ＬＡ－或相间绕组ＬＡ＋与ＬＢ＋，ＬＡ＋与ＬＢ－短路等），此时，流过驱动器的电流会在瞬间变得非常大，Ｈ桥温度迅速上升，从而造成电机无法正常运转甚至烧坏以致引起火灾等后果。３各种异常保护电路的设计设计中针对Ｌ２９７Ｄ和ＩＲ２１１０为核心的高压大电流步进电机驱动器进行了研究。在电机连接错误或驱动器出现异常时，只要使Ｌ２９７Ｄ和ＩＲ２１１０的输出信号立即停止，即可有效地保护驱动器和电机。高压大电流步进电机驱动器异常保护措施研究陈秉岩，周宛谕，朱昌平（河海大学，江苏常州２１３０２２）摘要：高压步进电机及驱动器的保护电路是保证其长期稳定运行的关键，文章对其保护电路进行了设计。通过对错相和各种因素引起的过流等异常工作情形的反复试验表明，所设计的电路在错相和过流时均能有效地保护高压大电流步进电机驱动器。关键词：步进电机；驱动器／保护电路；高压大电流中图分类号：ＴＭ３０３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２００７）０３－００７９－０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｂｎｏｒｍａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＳｔｅｐＭｏｔｏｒＤｒｉｖｅｒｗｉｔｈＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅａｎｄＬａｒｇｅＣｕｒｒｅｎｔＣＨＥＮＢｉｎｇ－ｙａｎ，ＺＨＯＵＷａｎ－ｙｕ，ＺＨＵＣｈａｎｇ－ｐｉｎｇ（ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｅｐｍｏｔｏｒｗｉｔｈｔｈｅｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ，ｆａｌｓｅｐｈａｓｅ，ｕｎｄｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅａｎｄｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅｏｆｉｔｓｄｒｉｖｅｒｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｄ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｖａｒｉｅｄａｂｎｏｒｍａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｗｉｔｈｉｔｓｄｒｉｖｅｒｗｏｒｋｉｎｇｕｎｄｅｒｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅａｎｄｌａｒｇｅｃｕｒｒｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒ；ｄｒｉｖｅｒ／ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ；ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｌａｒｇｅｃｕｒｒｅｎｔＰｒｏｊｅｃｔＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．１０５７４０３８）图１大功率Ｈ桥驱动电路图中ＵＨ———高压电源ＬＡ，ＬＢ———驱动电机绕组ＲＨ———Ｈ桥上端电流取样电阻Ｒ１，Ｒ２———Ｈ桥下端电流取样电阻第４１卷第３期２００７年３月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ．４１，Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ，２００７

７９第４１卷第３期２００７年３月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ．４１，Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ，２００７３．１上端保护检测电路及参数的设计在图１所示的Ｈ桥电路中，如果出现绕组对地短路，则ＲＨ的下端ＰＴ电压会突然减小。该电压信号可通过图２所示的上端保护检测电路进行监控和检测。上端保护检测电路中的ｐｎｐ三极管ＶＴ１采用４００Ｖ高压三极管ＭＰＳＡ９４，当ＰＴ端的电压比ＵＨ低５Ｖ时ＶＴ１导通。此时，高压ＵＨ经过Ｒ５和Ｒ６分压器可得到所需的检测信号。根据实际应用，Ｒ５和Ｒ６的阻值和额定功率按照以下条件进行计算。驱动器工作电压设计为交流８５～２７５Ｖ，整流后的直流电压对应为１２０～３９０Ｖ。考虑到所使用电源范围很宽，采用０．５Ｗ功率的５Ｖ稳压二极管与Ｒ６并联，即可保证检测产生的控制信号与ＴＴＬ电路兼容。设计时，取Ｒ５和Ｒ６分压点的电压为１０Ｖ。电阻值比的计算公式为：ＤＣ１２０Ｖ时：Ｒ６Ｒ５＋Ｒ６×１２０Ｖ＝１０Ｖ!Ｒ６Ｒ５＋Ｒ６＝１１２（１）ＤＣ３９０Ｖ时：Ｒ６Ｒ５＋Ｒ６×３９０Ｖ＝１０Ｖ!Ｒ６Ｒ５＋Ｒ６＝１３８（２）取Ｒ５和Ｒ６的功率为０．５Ｗ，则可算出Ｒ５和Ｒ６的阻值。按式（２）的条件计算得Ｒ５＝Ｕ２／Ｐ＝２８８．８ｋΩ，取标称值３００ｋΩ，将该值代入式（１）求解得Ｒ６＝２７．３ｋΩ，取标称值２７ｋΩ。Ｃ１可减小电机运转时绕组对ＰＴ端电压的干扰，Ｒ４可以保证驱动器刚上电时处于保护状态。３．２下端保护检测电路及参数的设计图３示出下端保护检测电路原理。将图１中Ｒ１和Ｒ２上的电压信号送至由ＬＭ３３９构成的电压比较器ＢＳＥＮ１和ＢＳＥＮ２端。由Ｒ９和Ｒ１０构成的分压器为电压比较器Ｕ１Ａ的反相输入端提供电流检测参考电压。当电机出现绕组两端或绕组间短路时，会使流过Ｒ１和Ｒ２的电流突然增大，从而使Ｒ１和Ｒ２上电压值升高。当检测点电压值超过设定的参考电压时，电压比较器翻转输出有效的下端保护检测信号。设计系统额定相电流Ｉ＝７Ａ，Ｈ桥下端检测电阻Ｒ１和Ｒ２采用０．０５Ω／５Ｗ的金属丝电阻，则电机在额定功率下工作时，Ｒ１和Ｒ２上的电压为Ｕ＝ＩＲ＝０．３５Ｖ。考虑到电机绕组自感等因素，把电压比较器反相端的参考电压值设为０．５Ｖ，此时对应的电机单相绕组峰值电流为Ｉｍａｘ＝Ｕ／Ｒ＝０．５Ｖ／０．０５!＝１０Ａ。电压比较器采用＋５Ｖ单电源供电，取Ｒ８＝１０ｋΩ，则算得Ｒ９＝１．１ｋΩ，取标称１．２ｋΩ。３．３保护延时电路及参数的设计图２和图３电路检测输出的保护信号ＵＴＥＳＴ，ＵＳＥＮ１和ＵＳＥＮ２通过图４所示的三输入或门，送至ＩＲ２１１０的ＳＤ端，使ＩＲ２１１０瞬间封锁输出驱动信号。但ＩＲ２１１０停止工作后，ＲＨ，Ｒ１和Ｒ２上的压降立即恢复正常。如果故障未排除，ＩＲ２１１０将反复快速开关，此时驱动器的平均电流非常大，也会烧坏驱动器。图５示出采用双可再触发单稳多谐振荡器７４ＨＣ１２３构成保护延时电路［４，５］。当所选Ｃｅｘｔ＞１０００ｐＦ时，保护电路的延时时间按ｔＷ＝０．２８×ＲＴＣｅｘｔ（１＋０．７／ＲＴ）计算。取ｔＷ＝１０ｓ，Ｃｅｘｔ＝１００μＦ，可算得ＲＴ＝３５６．４ｋΩ，取标称值ＲＴ＝３６０ｋΩ。７４ＨＣ１２３产生的延时信号经过由ｎｐｎ三极管构成的非门后送至Ｌ２９７ＤＥＮＡＢＬＥ（电路中的ＥＮ）端，当ＥＮＡＢＬＥ端接收到低电平时立即停止输出电机控制信号，直到延时ｔＷ秒后，７４ＨＣ１２３的输出状态发生翻转，ＥＮ端输出高电平，Ｌ２９７Ｄ再次恢复输出电机控制信号。由此，驱动器反复输出并检测故障情况，直到故障排除。该保护电路系统可当作硬件看门狗，用于ＭＣＵ控制的步进电机驱动器中，监测各类异常工作状况。４实验测试结果４．１开机保护测试系统上电直到正常工作的状态如图６所示，系统上电瞬间，图２中的ＶＴ１导通。ＴＥＳＴ端产生瞬间高电平，触发图５中延时电路。系统延时约１５ｓ后使系统的Ｌ２９７和ＩＲ２１１０输出电机控制信号，如果系统无故障将正常工作。按理论设计，

延时ｔｗ＝１０ｓ

。但图２上端保护检测电路图４三输入或门

图５延时电路

图３下端保护检测电路８０由于采用的电阻和电容有误差，实际输出延时最大为１５ｓ，最小为１０ｓ。４．２错相及相短路保护测试系统正常工作期间，图１中下端检测电阻的检测端（ＢＳＥＮ１及ＢＳＥＮ２）检测到如图７所示峰值不超过０．４Ｖ的锯齿状相电流波形。当电机绕组ＬＡ或ＬＢ出现错相、相短路或相与高压短路时，ＢＳＥＮ１或ＢＳＥＮ２检测到超过０．５Ｖ的大电流尖峰，该尖峰触发图３中的电压比较器，使ＳＥＮ１或ＳＥＮ２输出瞬间高电平，并触发图５延时电路进入约１５ｓ的系统延时保护。约１５ｓ后，图５延时电路的输出状态改变，使Ｌ２９７和ＩＲ２１１０送出相信号；如果故障未排除，系统再次进入保护状态，如果故障已排除，则系统正常工作。４．３相与地线短路保护测试在电机相绕组的任意一端ＬＡ＋（ＬＢ＋）或ＬＡ－（ＬＢ－）与电源地线短路时，Ｈ桥下端无电流通过，系统无法控制电机。此时，高压大电流通过电机绕组ＬＡ或ＬＢ直接通地线，对地短路的绕组端电压突然降低为０Ｖ，如图８粗线所示。此时，Ｈ桥上端检测电阻压降突然增大，使图２中的ＶＴ１导通，从而产生开机测试时的保护过程。如果系统的故障未排除，则检测电路继续循环检测并产生延时保护。５结论经过多次调试和改进后的电路系统具有反应灵敏、响应快、可靠性高等特点，能够对多种驱动器和电机异常工作情况进行有效的保护。带有该保护功能的高压大电流驱动器及步进电机系统已成功用于印染厂等恶劣工作环境中，已累计安全运行近３０００小时。参考文献［１］ＰＭｅｌｉｎ，ＯＣａｓｔｉｌｌｏ．ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌｏｆａＳｔｅｐｐｉｎｇＭｏｔｏｒＤｒｉｖｅｕｓｉｎｇａＨｙｂｒｉｄＮｅｕｒｏ－ｆｕｚｚｙＡｐｐｒｏａｃｈ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｓｐｒｉｎｇｅｒ．ｌｉｂ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ．［２］Ｈａｍｍｅｒ，ＳＪ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａ３ＤＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＰｈａｎｔｏｍＳｃａｎｎｅｒ［Ａ］．ＡｎｎｕａｌＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅＩＥＥＥＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＭｅｄｉｃｉｎｅａｎｄＢｉｏｌｏｇｙ－Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ－ｇｓ［Ｃ］．２００３，２：１１８４～１１８７．［３］黄战华，蔡怀宇，李贺桥，等．大功率步进电机高低压驱动技术［Ｊ］．电力电子技术，２０００，３４（４）：３１～３２，６２．［４］陈秉岩，周娟．用于电容冲放电和低频ＲＣ振荡的演示记录仪设计［Ｊ］．河海大学常州分校学报，２００４，１８（３）．３～７．［５］李朝春．单片机＆ＤＳＰ外围数字ＩＣ技术手册［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．图７错相及相短路保护状态测试图图６开机过程保护状态测试图图８相与地线短路实验测试状态图

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!"“照明电子技术”专辑征文启事（上接第３８页）②高压气体放电灯、荧光灯、低压气体放电灯、无极灯、场致发光光源、ＬＥＤ和辉光放电光源等的新型电子变压器、电子镇流器和控制电源。③网络化照明电子技术。④汽车照明电子技术。⑤新型显示照明电子技术（液晶面板背光源）。⑥应急照明电子技术。⑦城市美化照明电子技术。⑧太阳能电池供电照明电子技术。⑨新型照明电子技术的系统应用和节能分析。欲投稿的作者请在２００７年５月３０日前将论文寄到本刊编辑部（Ｅｍａｉｌ：ｄｌｄｚｊｓｔｇ＠１６３．ｃｏｍ），并注明“照明电子技术专辑”字样。所投论文将按本刊常规评审程序请国内同行专家评审。评审结果将于２００７年７月３０日前通知作者。本刊将请哈尔滨工业大学徐殿国教授为该专辑的特邀主编，对该领域的研究及该专辑的论文进行分析与点评。截稿日期：２００７年５月３０日。录用通知发出日期：２００７年７月３０日。论文刊登期号：２００７年第１０期（２００７年１０月２０日出版）。高压大电流步进电机驱动器异常保护措施研究８１