一種三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器設(shè)計方法

1引言
隨著運動控制系統(tǒng)中數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與成熟，步進電機在工業(yè)自動化控制中得到廣泛的應(yīng)用。步進電機是一種完成數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。步進電機區(qū)別于其他控制用途電動機的最大特點是，步進電機接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號），并將這些脈沖信號轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移。步進電機另一重要的特點是其必須與相應(yīng)的驅(qū)動電路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取決于所使用的驅(qū)動電路的類型和實際參數(shù)。因此，步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計是步進電機控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。本文主要介紹三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器的一種實用電路，該驅(qū)動電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2脈沖分配器PMM8713
PMM8713是由日本Sanyo（三洋）電機公司生產(chǎn)的步進電機控制用的脈沖分配器（又稱邏輯轉(zhuǎn)換器），為雙列直插式16腳單片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。勵磁有1相、2相和1-2相三種方式，通過電路設(shè)計可任選其中一種激勵方式。此外，PMM8713還具有單時鐘或雙時鐘工作方式，帶有正反轉(zhuǎn)控制功能以及初始化復(fù)位功能。其內(nèi)部有（1）時鐘選通，（2）激勵方式控制，（3）可逆環(huán)形計數(shù)，（4）激勵方式判斷等電路。PMM8713所有輸入端均采用施密特整形電路，因此抗干擾能力強。輸出電流大于20mA，可直接驅(qū)動微型步進電機。引腳如圖2所示。各引腳功能說明：C_Ｕ（ＰＩＮ１）、Ｃ_Ｄ（ＰＩＮ２）是雙時鐘工作的時鐘輸入端。C_Ｕ端接正轉(zhuǎn)時鐘；C_Ｄ端接反轉(zhuǎn)時鐘。CK（PIN3）為單時鐘輸入端，此時步進電機的正反轉(zhuǎn)由U/D（PIN4）腳來控制。在電路處于單時鐘輸入控制的前提下，當U/D=高電平時，則輸出端輸出正轉(zhuǎn)脈沖序列；當U/D=低電平時，則輸出端輸出反轉(zhuǎn)脈沖序列。E_Ａ（ＰＩＮ５）和E_Ｂ（ＰＩＮ６）為激勵方式選擇端。E_ＡＥ_Ｂ＝００時，為雙激勵方式；E_ＡＥ_Ｂ＝１１時，為1-2相激勵方式；E_ＡＥ_Ｂ＝０１或10(即兩電平相反)時，為單激勵方式。3/4（PIN7）為三相或四相選擇控制端。當該腳=0時，為三相輸出；當該腳=1時，為思想輸出，通過該腳可以選擇控制三相或四相步進電機。A～D（PIN13～10）為4個相驅(qū)動端。3相用A～C（D=0），4相用A～D端。EM（PIN14）是激勵方式狀態(tài)標志。雙激勵方式該端輸出為高電平；單激勵方式該端輸出為低電平；1-2相激勵時該端輸出兩倍時鐘周期的脈沖。C?0（PIN15）為輸入時鐘檢測端。當該電路有時鐘脈沖輸入時，在C_０端可輸出同步于時鐘的脈沖。R（PIN9）為復(fù)位控制端，加低電平使輸出端A～D復(fù)位為表1所示的初始狀態(tài)。（其中0表示低電平，1表示高電平）。?

3電壓-頻率變換器LM331
LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片。LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器以及其他相關(guān)的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片，其引腳如圖3所示。
LM331內(nèi)部有（1）輸入比較電路、（2）定時比較電路、（3）R-S觸發(fā)電路、（4）復(fù)零晶體管、（5）輸出驅(qū)動管、（6）能隙基準電路、（7）精密電流源電路、（8）電流開關(guān)、（9）輸出保護點路等部分。輸出管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應(yīng)TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。此外，LM331可采用單/雙電源供電，電壓范圍為4～40V，輸出也高達40V。I_Ｒ（PIN1）為電流源輸出端，在f_０（PIN3）輸出邏輯低電平時，電流源Ｉ_Ｒ輸出對電容Ｃ_Ｌ充電。引腳2（PIN2）為增益調(diào)整，改變Ｒ_Ｓ的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。f_０（PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由Ｒ_t和Ｃ_t決定。引腳4（PIN4）為電源地。引腳5（PIN5）為定時比較器正相輸入端。引腳6（PIN6）為輸入比較器反相輸入端。引腳7（PIN7）為輸入比較器正相輸入端。引腳8（PIN8）為電源正端。?

4驅(qū)動器系統(tǒng)電路
驅(qū)動器系統(tǒng)電路由電壓-頻率變換電路LM331、脈沖分配器PMM8713和四電路通用運算放大器LM348等構(gòu)成，如圖4所示。外接電阻R_t、電容C_t、內(nèi)部定時比較器、復(fù)零晶體管和R-S觸發(fā)器等構(gòu)成單穩(wěn)定時電路。當輸入端V_i+輸入的電壓大于Ｖ_i-輸入端的電壓時，f_０輸出邏輯低電平。同時，電流源Ｉ_Ｒ對電容Ｃ_Ｌ充電。電源Ｖ_ＣＣ也通過電阻Ｒ_t對電容Ｃ_t充電。當電容Ｃ_t兩端的充電電壓大于Ｖ_ＣＣ的2/3時。輸出端f?0輸出為邏輯高電平。此時，電容C_r通過內(nèi)部電路放電；Ｃ_Ｌ對電阻Ｒ_Ｌ放電。當Ｃ_Ｌ放電電壓等于輸入電壓Ｖ_i時，輸入比較器再次輸出高電平，f_０輸出邏輯低電平。如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振f_０蕩。根據(jù)電容上電荷平衡原理和相關(guān)的電學(xué)知識，我們可以推導(dǎo)出：f_０＝Ｖ_i/(t_１Ｉ_ＲＲ_Ｌ）。t_１為充電時間，由定時元件C_t和R_t決定；I_Ｒ為內(nèi)部精密電流源輸出電流。可得出輸出頻率f₀和輸入電壓V_i成正比。從而由運動控制系統(tǒng)輸出的可變電壓信號經(jīng)PMM8713變換后產(chǎn)生可變的頻率信號，控制步進電機的轉(zhuǎn)速。
方向控制電路由LM348四電路通用運算放大器構(gòu)成。外部方向控制信號通過LM348和基準電壓構(gòu)成電壓比較電路。當V_di大于基準電壓Ｖ_Ｈ時，U3A輸出為正，接至PMM8713的第四腳，控制輸出端輸出正相脈沖序列。當Ｖ_di小于基準電壓Ｖ_Ｈ時，輸出端為負，接至PMM8713的第四腳，控制輸出端輸出負相脈沖序列，相應(yīng)相驅(qū)動輸出端輸出正反相脈沖序列，從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)。
由LM331給出的輸入指令是輸入時鐘f_０和方向指令DIR，這兩個指令在PMM8713中經(jīng)邏輯組合轉(zhuǎn)換各相通斷的時序邏輯信號。PMM8713的相驅(qū)動輸出端（PIN10～PIN13）的驅(qū)動電流達20mA以上，能直接驅(qū)動微型步進電機。Ｒ_１、Ｃ_１為開機時自動初始化電路。初上電的數(shù)十毫秒內(nèi)R端為低電平，從而A～D端自動復(fù)位至初始狀態(tài)（參見表1）。如果外接的步進電機功率較大，PMM8713輸出驅(qū)動端驅(qū)動能力不夠。此時應(yīng)設(shè)計功率放大驅(qū)動電路，然后再驅(qū)動步進電機。PMM8713各相輸出端的導(dǎo)通順序邏輯信號送至功率驅(qū)動段轉(zhuǎn)換成內(nèi)部功率開關(guān)的基極（或柵極）驅(qū)動信號。步進電機驅(qū)動方式，按相繞組流過的電流是單向或雙向，可分為單極性和雙極性驅(qū)動。通常，三相步進電機采用單極性驅(qū)動。從功率驅(qū)動級電路來分析，又有電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動之分。本設(shè)計中采用串聯(lián)電阻電壓驅(qū)動方式。在相繞組中串接一定阻值和功率的電阻，一方面減小了繞組回路的時間常數(shù)，同時又對低頻和靜止工作時的電流進行限制。

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5結(jié)束語
根據(jù)上述電路設(shè)計的步進電機驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能穩(wěn)定。采用此系統(tǒng)設(shè)計的三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器驅(qū)動55BF004型三相反應(yīng)式步進電機，已成功地應(yīng)用在小距離驅(qū)動和位置跟蹤等設(shè)置中，運行效果良好。