步進電機H橋驅動電路設計

電路原理

圖1給出了H橋驅動電路與步進電機AB相繞組連接的電路框圖。

4個開關K1和K4，K2和K3分別受控制信號a，b的控制，當控制信號使開關K1，K4合上，K2，K3斷開時，電流在線圈中的流向如圖1(a)，當控制信號使開關K2，K3合上，K1，K4斷開時，電流在線圈中的流向如圖1(b)所示。4個二極管VD1，VD2，VD3，VD4為續(xù)流二極管，它們所起的作用是：以圖1(a)為例，當K1，K4開關受控制由閉合轉向斷開時，由于此時線圈繞組AB上的電流不能突變，仍需按原電流方向流動(即A→B)，此時由VD3，VD2來提供回路。因此，電流在K1，K4關斷的瞬間由地→VD3→線圈繞組AB→VD2→電源+Vs形成續(xù)流回路。同理，在圖1(b)中，當開關K2，K3關斷的瞬間，由二極管VD4，VD1提供線圈繞組的續(xù)流，電流回路為地→VD4→線圈繞組BA→VD1→電源+Vs。步進電機驅動器中，實現(xiàn)上述開關功能的

元件在實際電路中常采用功率MOSFET管。

由步進電機H橋驅動電路原理可知，電流在繞組中流動是兩個完全相反的方向。推動級的信號邏輯應使對角線晶體管不能同時導通，以免造成高低壓管的直通。

另外，步進電機的繞組是感性負載，在通電時，隨著電機運行頻率的升高，而過渡的時間常不變，使得繞組電流還沒來得及達到穩(wěn)態(tài)值又被切斷，平均電流變小，輸出力矩下降，當驅動頻率高到一定的時候將產(chǎn)生堵轉或失步現(xiàn)象。因此，步進電機的驅動除了電機的設計盡量地減少繞組電感量外，還要對驅動電源采取措施，也就是提高導通相電流的前后沿陡度以提高電機運行的性能。

步進電機的缺陷是高頻出力不足，低頻振蕩，步進電機的性能除電機自身固有的性能外，驅動器的驅動電源也直接影響電機的特性。要想改善步進電機的頻率特性，就必須提高電源電壓。

電路設計

圖2給出了驅動器AB相線圈功率驅動部分原理圖。

選用的功率MOSFET元件是IRFP460，其，ID=20A，VDss= 500 V，RDS(ON)=0。27Ω。

在圖2中，功率MOSFET管VT1，VT2，VT3，VT4和續(xù)流二極管 VD11，VD19，VD14，VD22相當于圖1中的K1，K2，K3，K4和VD1，VD2，VD3，VD4。功率MOSFET管的控制信號是由TTL邏輯電平a，a，b，b來提供的，其中a與a，b與b在邏輯上互反。

a.驅動電流前后沿的改善

從步進電機的運行特性分析中知道，性能較高的驅動器都要求提供的電流前后沿要陡，以便改善電機的高頻響應。本驅動器中由于功率MOSFET管柵極電容的存在，對該管的驅動電流實際表現(xiàn)為對柵極電容的充、放電。極間電容越大，在開關驅動中所需的驅動電流也越大，為使開關波形具有足夠的上升和下降陡度，驅動電流要具有較大的數(shù)值。如果直接用集電極開路的器件如SN7407驅動功率MOSFET管，則電路在MOSFET管帶感性負載時，上升時間過長，會造成動態(tài)損耗增大。為改進功率MOSFET管的快速開通時間，同時也減少在前級門電路上的功耗，采用圖2虛線框內(nèi)的左下臂驅動電路。

集電極開路器件U14是將TTL電平轉換成CMOS電平的緩沖/驅動器，當U14輸出低電平時，功率MOSFET管VT2的柵極電容通過1N4148被短路至地，這時U14吸收電流的能力受U14內(nèi)部導通管所允許通過的電流限制。而當U14輸出為高電平時，VT2管的柵極通過晶體管V3獲得電壓和電流，充電能力提高，因而開通速度加快。

b.保護功能

圖2虛線框中，1N4744是柵源間的過壓保護齊納二極管，其穩(wěn)壓值為15 V。由于，功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，故工作于開關狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當幅度的VCS脈沖電壓。這一電壓會引起柵源擊穿造成管子的永久損壞，如果是正方向的VCS脈沖電壓，雖然達不到損壞器件的程度，但會導致器件的誤導通。為此，要適當降低柵極驅動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩(wěn)壓值小于20 V而又接近20V的齊納二極管1N4744，防止柵源開路工作。

功率MOSFET管有內(nèi)接的快恢復二極管。當不接VD11，VD12，VD13，VD14時，假定此時電機AB相繞組由VT1管(和VT4管)驅動，即VT2管(和VB)截止，VT1管(和VT4管)導通，電流經(jīng)VT1管流過繞組。當下一個控制信號使VT1管關斷時，負載繞組的續(xù)流電流經(jīng)VT2的內(nèi)接快恢復二極管從地獲取。此時，VT2管的漏源電壓即是該快恢復二極管的通態(tài)壓降，為一很小的負值。當VT1再次導通時，該快恢復二極管關斷，VT2的漏源電壓迅速上升，直至接近于正電源的電壓+VS，這意味著VT2漏源間要承受很高且邊沿很陡的上升電壓，該上升電壓反向加在VT2管內(nèi)的快恢復二極管兩端，會使快恢復二極管出現(xiàn)恢復效應，即有一個很大的電流流過加有反向電壓的快恢復二極管。為了抑制VT2管內(nèi)的快恢復二極管出現(xiàn)這種反向恢復效應，在圖2電路中接人了VD11，VD12，VD13，VD14。其中，反并聯(lián)快恢復二極管VD11，VD14的作用是為電機AB相繞組提供續(xù)流通路，VD12，VD13是為了使功率MOSFET管VT1，VT2內(nèi)部的快恢復二極管不流過反向電流，以保證VT1，VT2在動態(tài)工作時能起正常的開關作用。VD19，VD20，VD21，VD22的作用亦是同樣的道理。

對圖2電路的分析可知，信號a=1，b=1的情況是不允許存在的，否則將因同時導通從而使電源直接連到地造成功率管的損壞;另外，根據(jù)步進電機運行脈沖分配的要求，VT1，VT2，VT3，VT4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài)，由于晶體管的關斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間，總稱關斷時間，在這段時間內(nèi)，晶體管并沒完全關斷。若在此期間，另一個晶體管導通，則造成上、下兩管直通而使電源短路，燒壞晶體管或其他元器件。為了避免這種情況，可采取另加邏輯延時電路，以使H橋電路上、下兩管交替導通時可產(chǎn)生一個“死區(qū)時間”，先關后開，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。

結論

本驅動器電源驅動部分線路簡單，通過對電流前后沿的合理設計，降低了開關損耗，改善了電機的高頻特性，并具有多種保護功能，實際使用中效果良好。