图6-6 高低压驱动电路
图中有两个功率晶体管VT1、VT2，两个二极管VD1、VD2，一个外接电阻Rc步进电机绕组电感L以及电阻Rl。高压U1为80~150V，低压U2为5~20V。双电压功放电路的工作控制信号和单电压功放电路有很大区别。在单电压功放电路中，它的工作控制信号是步进时一相所需的方波信号。。而在双电压功放电路中，除了需要一相所需的方波信号外，还需高压驱动控制信号，只有两个信号密切配合才能正常工作。
当VT1、VT2管的基极电压Ub1、Ub2都为高电平时，则在t1~t2时间内，VT1和VT2均饱和导通，二极管VD2反向偏置而截至。高压电源U1经VT1和VT2管加到电机绕组L上，使其电流迅速上升，从而提高步进电机工作频率和高频时力矩。
在用高压电源U1时，流入绕组的瞬时电流
式中，Tj为回路时间常数；Rl为绕组电阻；Rc为外接电阻。
当时间达到t2时或电流上升到某一数值时，Ub1为低电平，Ub2为高电平，VT1管截止，VT2管导通。电动机绕组的电流由低压电源U2经二极管VD2和VT2管来维持。
在t2~t3时，绕组电流保持一定的稳态电流，从而电动机在这段时间内能保持相同转动力矩，已完成步进过程。绕组内稳态电流I为U2/（Rc+Rl）。
在t3时，Ub2也为低电平，VT2管截止。这时高压电源和低压电源都被关断，
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无法向电动机绕组供电。绕组因电源关断而产生反电势。在电路中二极管VD1、VD2组成反电势泄放的回路。绕组的反电势通过Rl、Rc、VD1、U1、U2、VD2回路泄放，绕组中的电流迅速下降，其波形形成较好的电流下降沿。
可见，该电路对绕组的电流比单电压功放回路的波形好，有十分明显的高速率的上升和下降沿。所以，高频特性好，电源效率也较高。它的不足之处是：高压产生的电流上冲作用在低频工作时会使输入能量过大，引起电动机的低频振荡加重。另外，在高低压衔接处的电流有谷点、不够平滑，影响电动机运动的平稳性。
此回路具有能耗低、高频工作时有较大的转动力矩，所以常用于中功率和大功率步进电机中。
高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法。由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。
斩波型功放电路克服了高低压功放电路出现的谷点现象，并且提高了电机的效率和力矩。斩波型功放回路有两种：一种是斩波恒流功放回路；另一种是斩波平滑功放回路。斩波功放电路应用较广泛。它是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近，这种电路也成为电流驱动电路或波顶 补偿回路。
本设计中采用的驱动电路是斩波恒流驱动电路，斩波恒流驱动电路是性能较好、目前使用较多的一种驱动方式。其基本思想是：无论电机是在锁定状态还是在低频段或高频段运行，均使导通相的绕组的电流保持额定值。
图6-7是斩波恒流驱动电路的原理图。相绕组的通断由开关管VT1和VT2共同控制，VT2的发射极接一个小电阻R，电动机绕组的电流经这个电阻到地，小电阻的压降与电动机绕组的电流成正比，所以这个电阻称为电流采样电阻。
当Ui为高电平时，VT1和VT2两个开关管均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用，R上的电压逐渐升高，当超过给定电压Ua的值时，比较器的输出低电平，使与门输出低电平，VT1截止，电源被切断，绕组电流经VT2、R、VD2续流，采样电阻R的端电压随之下降。当采样电阻R上的电压小于给定电压Ua时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，VT1重新导通，电源又开始向绕组供电。如此反复，绕组的电流稳定在由给定电压所决定的数值上。
当控制脉冲Ui变为低电平时，VT1和VT2两个开关管均截止，绕组中的电
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流经二极管VD1、电源和二极管VD2放电，电流迅速下降。
控制脉冲Ui、VT1的基极电位Ub1及绕组电流Id的波形如图6-8所示。
图6-7 斩波恒流驱动电路的原理图
图6-8 斩波恒流控制的电流波形
在VT2导通期间内，电源以脉冲式供电，所以这种驱动电路具有较高的效率。由于在斩波驱动下绕组电流恒定，电机的输出转矩均匀。这种驱动电路的另一个优点是能够有效地抑制共振，因为电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动的输入能量是随着绕组电流的变化自动调节的，可以有效的防止能量积聚。但是，由于电流波形为锯齿形，这种驱动方式会产生较大的电磁噪声。
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第七章 软件设计
7.1 可编程控制器（PLC）的工作原理
可编程控制器（PLC）的有两个工作要点：入出信息变换、可靠物理实现。入出信息变换主要由运行存储于PLC内存中的程序实现。这程序既有系统的（这程序又称监控程序，或操作系统），又有用户的。系统程序为用户程序提供编辑与运行平台，同时，还进行必要的公共处理，如自检，I/O刷新，与外设、上位计算机或其它PLC通讯等处理。用户程序由用户按照控制的要求进行设计。什么样的控制，就有什么样的用户程序。
可靠物理实现主要通过输入（I， INPUT）及输出（O， OUTPUT）电路。每一输入点或输出点就有一个I或O电路。而且，总是把若干个这样电路集成在一个模块（或箱体）中，然后再由若干个模块（或箱体）集成为PLC完整的I/O系统（电路）。尽管这些模块相当多，占了PLC体积的大部分，但由于它们都是由高度集成化的，所以，PLC的体积还是不太大的。
输入电路时刻监视着输入点的（通、ON或断、OFF）状态，并将此状态暂存于它的输入暂存器中。每一输入点都有一个与其对应的输入暂存器。
输出电路有输出锁存器（还可能有别的称谓）。它也有两个状态，高、低电位状态，并可锁存。同时，它还有相应的物理电路，可把这个高、低电位的状态传送给输出点。每一输出点都有一个与其对应的输出锁存器。
这里的输入暂存器及输出锁存器实际是PLC的I/O电路的寄存器。它们与PLC内存交换信息通过PLC I/O总线及运行PLC的系统程序实现。
把输入暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称为输入继电器，或称软触点，或称为过程映射输入寄存器（the process-image input register）。这些位（bit）置成1，表示触点通，置成0为触点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入点的状态。
输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈，或称为过程映射输出寄存器（the process-image output register）。通过PLC I/O总线及运行系统程序，输出继电器的状态将映射给输出锁存器。这个映射的完成
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也称输出刷新。
PLC除了有可接收开关信号的输入电路，有时，还有接收模拟信号的输入电路（称模拟量输入单元或模块）。只是后者先要进行模、数转换，然后，再把转换后的数据存入PLC相应的内存单元中。
如要产生模拟量输出，则要配有模拟量输出电路（称模拟量输出模块或单元）。靠它对PLC相应的内存单元的内容进行数、模转换，并产生输出。
这样，用户所要编的程序只是，PLC输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的。
图7-1 PLC工作原理
图7-1对以上叙述作了说明。其中框图代表信息存储的地点，箭头代表信息的流向及实现信息流动的手段。这个图既反映了PLC实现控制的两个基本要点，同时也反映了信息在PLC中的空间关系。
简单地说，PLC工作过程是：输入刷新---运行用户程序---输出刷新，再输入刷新---再运行用户程序---再输出刷新??永不停止地循环反复地进行着。
图7-2所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息间的时间关系。
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