實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

概述

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)選用第三種方案，用PMM8713三相或四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器、SI-7300A兩相或四相功率驅(qū)動(dòng)器，組成四相步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，以提高集成度和可靠性，步進(jìn)電機(jī)控制框圖見圖1。

圖1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

硬件簡(jiǎn)介

● PMM8713原理框圖及功能

PMM8713是日本三洋電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器，適用于控制三相或四相步進(jìn)電機(jī)。控制三相或四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)都可以選擇3種勵(lì)磁方式，每相最小吸入與拉出電流為20mA，它不僅滿足后級(jí)功率放大器的輸入要求，而且在其所有輸入端上均內(nèi)嵌施密特觸發(fā)電路，抗干擾能力強(qiáng)，其原理框圖如圖2所示。

圖2 PMM8713的原理框圖

在PMM8713的內(nèi)部電路中，時(shí)鐘選通部分用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入發(fā)。PMM8713有兩種脈沖輸入法：雙脈沖輸入法和單脈沖輸入法。采用雙脈沖輸入法時(shí)，CP、CU兩端分別輸入步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制脈沖。當(dāng)采用單脈沖輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向由U/D的高、低電位決定。

激勵(lì)方式控制電路用來選擇采用何種勵(lì)磁方式。激勵(lì)方式判斷電路用于輸出檢測(cè)；而可逆環(huán)形計(jì)數(shù)器則用于產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)在選定的勵(lì)磁方式下的各相通斷時(shí)序信號(hào)。

● SI-7300A的結(jié)構(gòu)及功率驅(qū)動(dòng)原理

SI-7300A是日本三青公司生產(chǎn)的高性能步進(jìn)電機(jī)集成功率放大器，該器件為單極性四相驅(qū)動(dòng)，采用SIP18封裝。

步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電路可分為電壓和電流兩種驅(qū)動(dòng)方式。電流驅(qū)動(dòng)方式最常用的是PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路，也是最常用的高性能驅(qū)動(dòng)方式，其中一相的等效電路圖如圖3所示。

圖3 LM331電壓/頻率變換電路

● LM331芯片

LM331是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的雙列直插式8腳芯片，只需接入幾個(gè)外部元件就可以方便地構(gòu)成電壓/頻率(V/F)變換電路，電路如圖4所示。

圖4 四相步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路

LM331的輸出頻率和輸入電壓存在如下關(guān)系：f0=Vi/(IRt1RL)，其中t1由外接的定時(shí)元件Rt和Ct決定，t1＝1.1RtCt，IR由內(nèi)部精密電流源提供，IR＝1.9V/RS。故f0=ViRS/(2.09RtRLCt)。RS為可調(diào)電阻，它的作用是調(diào)整LM331的增益偏差。Ct為濾波電容，一般為? 0.01～0.1μF，在濾波效果較好的情況下，可使用1μF的電容。為了提高精度和穩(wěn)定度，組容元件選用低溫度系數(shù)的器件。

應(yīng)用舉例

用PMM8713步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器與SI7300A步進(jìn)電機(jī)功率放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，PMM8713采取單脈沖輸入、1-2相勵(lì)磁方式，電路如圖5所示。圖中PD控制端為SI7300A的輸入電流I0調(diào)節(jié)端，可懸空或接高電平，接高電平時(shí)可適當(dāng)提高SI7300A的輸出電流I0，在本應(yīng)用系統(tǒng)中懸空使用。圖中PMM8713的時(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)由LM331(V/F)輸出，方向控制信號(hào)和步進(jìn)電機(jī)的起停信號(hào)由窗口比較電路給出。

圖5 窗口比較電路

窗口比較電路為步進(jìn)電機(jī)提供方向控制信號(hào)和步進(jìn)電機(jī)的起?？刂菩盘?hào)，電路如圖6所示。其中，U1、U2為數(shù)控等離子切割機(jī)弧壓的上、下限電壓，Ui為檢測(cè)到的弧壓。當(dāng)Ui>U1，V3輸出為高電平，V4輸出為低電平，V5輸出為高電平；當(dāng)U2

方向控制信號(hào)V3或V4輸出端接PMM8713的C/D，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；U5輸出端接PMM8713的復(fù)位端R，控制步進(jìn)電機(jī)的起停。LMM331(V/F)輸出端f0接PMM8713的CK，為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖控制信號(hào)。由此可見，當(dāng)U2U1或者Ui

結(jié)束語

該驅(qū)動(dòng)電路被用于數(shù)控等離子切割機(jī)弧壓自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的電機(jī)是42BYG009型混合式步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電壓為直流24V。通過實(shí)踐證明該步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、效率高、矩頻特性好，可廣泛應(yīng)用于小型機(jī)電一體化設(shè)備中。