三相反應式步進電機驅動器的設計

1 引言
　　隨著運動控制系統中數字化技術的發展與成熟，步進電機在工業自動化控制中得到廣泛的應用。步進電機是一種完成數字/模擬轉換的執行元件。步進電機區別于其他控制用途電動機的最大特點是，步進電機接收數字控制信號（電脈沖信號），并將這些脈沖信號轉換成與之相對應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的驅動電路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取決于所使用的驅動電路的類型和實際參數。因此，步進電機驅動電路的設計是步進電機控制系統中的關鍵部分。本文主要介紹三相反應式步進電機驅動器的一種實用電路。

　　2脈沖分配器PMM8713
　　PMM8713是由日本Sanyo（三洋）電機公司生產的步進電機控制用的脈沖分配器（又稱邏輯轉換器），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，帶有正反轉控制功能以及初始化復位功能。其內部有（1）時鐘選通，（2）激勵方式控制，（3）可逆環形計數，（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，可直接驅動微型步進電機。引腳如圖2所示。各引腳功能說明：CＵ（ＰＩＮ１）、ＣＤ（ＰＩＮ２）是雙時鐘工作的時鐘輸入端。CＵ端接正轉時鐘；CＤ端接反轉時鐘。CK（PIN3）為單時鐘輸入端，此時步進電機的正反轉由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，則輸出端輸出正轉脈沖序列；當U/D=低電平時，則輸出端輸出反轉脈沖序列。EＡ（ＰＩＮ５）和EＢ（ＰＩＮ６）為激勵方式選擇端。EＡＥＢ＝００時，為雙激勵方式；EＡＥＢ＝１１時，為1-2相激勵方式；EＡＥＢ＝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個相驅動端。3相用A～C（D=0），4相用A～D端。EM（PIN14）是激勵方式狀態標志。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C０端可輸出同步于時鐘的脈沖。R（PIN9）為復位控制端，加低電平使輸出端A～D復位為3電壓-頻率變換器LM331
　　LM331是美國NS公司生產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）轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器以及其他相關的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片。
　　LM331內部有（1）輸入比較電路、（2）定時比較電路、（3）R-S觸發電路、（4）復零晶體管、（5）輸出驅動管、（6）能隙基準電路、（7）精密電流源電路、（8）電流開關、（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。IＲ（PIN1）為電流源輸出端，在f０（PIN3）輸出邏輯低電平時，電流源ＩＲ輸出對電容ＣＬ充電。引腳2（PIN2）為增益調整，改變ＲＳ的值可調節電路轉換增益的大小。f０（PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由Ｒt和Ｃt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驅動器系統電路
　　步進驅動器系統電路由電壓-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等構成，如圖4所示。外接電阻Rt、電容Ct、內部定時比較器、復零晶體管和R-S觸發器等構成單穩定時電路。當輸入端Vi+輸入的電壓大于Ｖi-輸入端的電壓時，f０輸出邏輯低電平。同時，電流源ＩＲ對電容ＣＬ充電。電源ＶＣＣ也通過電阻Ｒt對電容Ｃt充電。當電容Ｃt兩端的充電電壓大于ＶＣＣ的2/3時。輸出端f0輸出為邏輯高電平。此時，電容Cr通過內部電路放電；ＣＬ對電阻ＲＬ放電。當ＣＬ放電電壓等于輸入電壓Ｖi時，輸入比較器再次輸出高電平，f０輸出邏輯低電平。如此反復循環，構成自激振f０蕩。根據電容上電荷平衡原理和相關的電學知識，我們可以推導出：f０＝Ｖi/(t１ＩＲＲＬ）。t１為充電時間，由定時元件Ct和Rt決定；IＲ為內部精密電流源輸出電流。可得出輸出頻率f0和輸入電壓Vi成正比。從而由運動控制系統輸出的可變電壓信號經PMM8713變換后產生可變的頻率信號，控制步進電機的轉速。
　　方向控制電路由LM348四電路通用運算放大器構成。外部方向控制信號通過LM348和基準電壓構成電壓比較電路。當Vdi大于基準電壓ＶＨ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Ｖdi小于基準電壓ＶＨ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，相應相驅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。
　　由LM331給出的輸入指令是輸入時鐘f０和方向指令DIR，這兩個指令在PMM8713中經邏輯組合轉換各相通斷的時序邏輯信號。PMM8713的相驅動輸出端（PIN10～PIN13）的驅動電流達20mA以上，能直接驅動微型步進電機。Ｒ１、Ｃ１為開機時自動初始化電路。初上電的數十毫秒內R端為低電平，從而A～D端自動復位至初始狀態（參見表1）。如果外接的步進電機功率較大，PMM8713輸出驅動端驅動能力不夠。此時應設計功率放大驅動電路，然后再驅動步進電機。PMM8713各相輸出端的導通順序邏輯信號送至功率驅動段轉換成內部功率開關的基極（或柵極）驅動信號。步進電機驅動方式，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動。通常，三相步進電機采用單極性驅動。從功率驅動級電路來分析，又有電壓驅動和電流驅動之分。本設計中采用串聯電阻電壓驅動方式。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，同時又對低頻和靜止工作時的電流進行限制。 
　　5 結束語
　　根據上述電路設計的步進電機驅動器結構簡單、成本低、性能穩定。采用此系統設計的三相反應式步　　進電機驅動器驅動55BF004型三相反應式步進電機，已成功地應用在小距離驅動和位置跟蹤等設置中，運行效果良好本文來自：www.samsrmotor.com.cn