基于一種低成本的新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研制

0 引 言 　

步進(jìn)電機(jī)是由脈沖控制運(yùn)行的特殊同步電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)每一供電脈沖，都產(chǎn)生一個(gè)恒定量的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，可以是角位移或線(xiàn)位移。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，是數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件。它具有一定的開(kāi)環(huán)控制精度，步距誤差不長(zhǎng)期積累，易于啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，與上位機(jī)接口簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電機(jī)本體的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)在辦公自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器、數(shù)控機(jī)械等眾多領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也得到了很大的發(fā)展和改進(jìn)[2,3,4]。但是目前在工業(yè)應(yīng)用中，多數(shù)驅(qū)動(dòng)器體積較大，通用性不強(qiáng)，往往要求外接多路電源，而且成本不低。為此，本文提出了一種單一電源輸入、寬電壓、寬電流、低成本的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)際使用驗(yàn)證了其通用性強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單，可靠性高的特性。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　

該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要指標(biāo)要求：

（1）低成本、小體積;

（2）寬范圍單電源輸入：25～85Vdc

（3）輸出每相電流最大值：7A。

圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖 　　

根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)中，以單片步進(jìn)電機(jī)控制器集成電路L297為控制核心，由于其內(nèi)部集成了脈沖分配器、PWM斬波器以及輸出邏輯控制單元等豐富模塊，使系統(tǒng)控制更加方便簡(jiǎn)單。采用由晶體三極管和功率MOS管組成的分立式的功率驅(qū)動(dòng)電路代替集成塊電路，使系統(tǒng)成本降低，而且能夠滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)寬電壓、大電流的步進(jìn)電機(jī)的要求。以單片電流型PWM控制器集成電路SI9114A為核心，設(shè)計(jì)的高頻DC-DC變換電路解決了系統(tǒng)所需多路電源的需求，降低了系統(tǒng)功耗，減小了電源電路的體積，并且降低了成本。

系統(tǒng)接收步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向信號(hào)DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE以及工作方式選擇信號(hào)MODE，通過(guò)光耦隔離輸入給L297，然后按一定的規(guī)律進(jìn)行分配并輸出邏輯控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行放大后加到步進(jìn)電機(jī)各相輸入端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按指令運(yùn)轉(zhuǎn)。此外系統(tǒng)還具有相電流大小選擇、半流鎖定以及過(guò)流保護(hù)等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn) 　　

2.1 步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) 　　

步進(jìn)電機(jī)控制電路以L(fǎng)297為核心。通過(guò)內(nèi)部集成的脈沖分配器產(chǎn)生三種相序信號(hào)，對(duì)應(yīng)于三種不同的工作方式：半步方式;基本步距，一相激勵(lì)方式;基本步距，兩相激勵(lì)方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個(gè)3位可逆計(jì)數(shù)器，加上一些組合邏輯，產(chǎn)生每周期8拍格雷碼時(shí)序信號(hào)，就是半步工作方式時(shí)的時(shí)序信號(hào)。而在基本步距工作方式時(shí)，則產(chǎn)生每周期4拍的時(shí)序信號(hào)。L297的另一個(gè)重要組成是由兩個(gè)PWM斬波器來(lái)控制相繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制，已獲得良好的轉(zhuǎn)矩—頻率特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器和外接采樣電阻組成，并設(shè)有一個(gè)通用振蕩器，向兩個(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號(hào)，而脈沖頻率由外接的RC網(wǎng)絡(luò)決定。L297的CONTROL端用來(lái)選擇斬波信號(hào)的控制，將其置為低電平，以使斬波信號(hào)作用于INH1和INH2，而由A、B、C、D端來(lái)控制繞組的通斷與極性。相繞組電流峰值由VREF端來(lái)決定。

恒流斬波控制技術(shù)是目前步進(jìn)電機(jī)控制的主流技術(shù)，驅(qū)動(dòng)方式采用PWM等方式，使相繞組電流無(wú)論在低頻或高頻段工作時(shí)都保持基本恒定。由于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與電機(jī)相繞組電流相關(guān)，所以恒流斬波控制技術(shù)能夠保證電機(jī)牽出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。同時(shí)，電機(jī)的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn)象減弱。該兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器充分利用了L297的功能，采用恒流斬波驅(qū)動(dòng)控制方法。通過(guò)采樣電阻反饋相繞組電流值與設(shè)定的相繞組電流峰值相比較，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，使電源電壓工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而使繞組電流保持在設(shè)定值附近波動(dòng)。由于電源電壓并不是一直向繞組供電，而只是一個(gè)個(gè)窄脈沖，總的輸入能量是各脈沖時(shí)間的電壓與電流乘積的積分，取自電源的能量大幅度下降，降低了發(fā)熱量，具有較高的效率。

2.2 半流鎖定功能的實(shí)現(xiàn) 　　

步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，為輸出較大的轉(zhuǎn)矩及具有快速響應(yīng)，應(yīng)保持繞組電流為額定值而不使其下降。但在電機(jī)的鎖定狀態(tài)通常沒(méi)必要輸出大的轉(zhuǎn)矩，為減少電機(jī)的發(fā)熱，提高系統(tǒng)的效率，減輕驅(qū)動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，可在鎖定狀態(tài)適當(dāng)降低繞組電流。本驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的鎖定電流減半功能電路如圖2所示。圖中，CLK為步進(jìn)脈沖信號(hào)CP經(jīng)過(guò)光耦隔離后的信號(hào)。該電路中采用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123，其輸出脈沖寬度TW為： 　　

當(dāng)CLK的周期小于或等于TW時(shí)，晶體管一直處于截止?fàn)顟B(tài)，不存在鎖定時(shí)間。而當(dāng)CLK的周期大于TW或處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，晶體管導(dǎo)通，電阻R1并聯(lián)至參考電壓端，使參考電壓減半，即實(shí)現(xiàn)了電流減半的功能。

圖2 半流鎖定功能電路圖 　　

2.3 分立式的功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 　　

步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路較為典型的設(shè)計(jì)一般都是采用集成電路，例如用雙H橋高電壓大電流功率集成電路L298，IR公司的MOSFET驅(qū)動(dòng)集成電路等。然而對(duì)于L298，雖然簡(jiǎn)單方便，但是只可驅(qū)動(dòng)母線(xiàn)電源電壓為46V、每相電流2A以下的步進(jìn)電機(jī)，因而它的電源輸入范圍相對(duì)較窄，局限性較大;而對(duì)于IR公司的MOSFET驅(qū)動(dòng)集成電路，它的通用性很強(qiáng)，但是價(jià)格相對(duì)較貴，并不適于低成本的驅(qū)動(dòng)器。為了避免上述集成電路的缺陷，在該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，功率驅(qū)動(dòng)電路采用分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

功率電路采用大功率雙H橋電路，上半橋使用P溝道功率MOSFET IRF9540，下半橋使用N溝道功率MOSFET IRF540。這樣可以滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)母線(xiàn)電源電壓為85V、相電流7A的步進(jìn)電機(jī)的要求。而且采用這種結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路電源的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵俨恍枰鄠€(gè)隔離的驅(qū)動(dòng)電源，可以使母線(xiàn)電源與驅(qū)動(dòng)電源共地。對(duì)于上橋P溝道功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)采用由NPN和PNP三極管構(gòu)成的互補(bǔ)式驅(qū)動(dòng)電路，使MOSFET輸入電容充放電電路的電阻都很小，加速了功率管的通斷。并通過(guò)并接一個(gè)13V的穩(wěn)壓二極管，使得當(dāng)母線(xiàn)電壓較高時(shí)鉗位MOSFET的柵源驅(qū)動(dòng)電壓，以避免其超過(guò)柵源擊穿電壓。而對(duì)于下橋N溝道功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)采用簡(jiǎn)單的NPN三極管驅(qū)動(dòng)放大電路，這樣改善了MOSFET的開(kāi)通過(guò)程，而且減少了驅(qū)動(dòng)電源的功率;并在三極管的基極與發(fā)射極反并聯(lián)二極管，這樣就為輸入電容提供了放電回路，加速了功率管的關(guān)斷過(guò)程。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路直接來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET時(shí)會(huì)引起被驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的快速開(kāi)通和關(guān)斷，這就有可能造成被驅(qū)動(dòng)功率MOSFET漏源極間電壓的振蕩。這樣，一則會(huì)引起射頻干擾;二則有可能造成功率MOSFET遭受過(guò)高的 而擊穿損壞。為解決這一問(wèn)題，采用在被驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的柵極與驅(qū)動(dòng)電路的輸出之間串聯(lián)一個(gè)15 的無(wú)感電阻。具體的上、下半橋驅(qū)動(dòng)電路分別如圖3和圖4所示。L297輸出的載有斬波信號(hào)的INH1、INH2，與時(shí)序邏輯信號(hào)A、B、C、D經(jīng)過(guò)邏輯門(mén)電路的恰當(dāng)組合，產(chǎn)生PWM1和PWM2信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的斬波信號(hào)輸入端。

　　圖3 上半橋驅(qū)動(dòng)電路

圖4 下半橋驅(qū)動(dòng)電路 　　

2.4 高頻開(kāi)關(guān)電源電路的實(shí)現(xiàn) 　　

該開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用正激變換器的形式[5]，如圖5所示。以VISHAY公司的SI9114A芯片為控制核心，用簡(jiǎn)單的脈寬調(diào)制方式取代復(fù)雜的諧振方式設(shè)計(jì)出功率為12W、

圖5 正激變換器拓?fù)鋱D 　　

工作頻率為100kHz、輸入直流電壓范圍為25～85V、輸出直流電壓12V的DC-DC變換電路。SI9114A采用占空比小于50%的恒頻電流控制模式，通過(guò)提高轉(zhuǎn)換頻率，可以進(jìn)一步減小儲(chǔ)能元件的尺寸、降低系統(tǒng)的功耗、簡(jiǎn)化分布式電源的結(jié)構(gòu)。通過(guò)簡(jiǎn)單的外接電阻ROSC和電容COSC配合芯片內(nèi)部的振蕩電路以及二分頻電路設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為100kHz。為了解決由于直流母線(xiàn)電壓與芯片控制電路電壓存在很大壓差所帶來(lái)的啟動(dòng)問(wèn)題，SI9114A采用了低功耗的BiC/DMOS電路和一種高壓耗盡型MOSFET，使啟動(dòng)時(shí)的延遲以及需要大電容的問(wèn)題得到解決。由于被檢測(cè)電流波形前沿常夾雜有噪聲電平，通過(guò)外接RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通濾波電路來(lái)抑制毛刺而使整個(gè)波形不產(chǎn)生畸變。各電源端也需要并接100nF的陶瓷電容用作高頻旁路。輸出驅(qū)動(dòng)采用N溝道和P溝道互補(bǔ)型輸出級(jí)，可以直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。另外還具有軟啟動(dòng)和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)的功能。

3 試驗(yàn)結(jié)果 　　

該驅(qū)動(dòng)器分別與型號(hào)為86BYG200、90BYG200的兩臺(tái)混合式步進(jìn)電機(jī)相連接，進(jìn)行了相關(guān)的矩頻特性試驗(yàn)以及帶額定負(fù)載下的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)器能夠達(dá)到與相應(yīng)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器相同的技術(shù)指標(biāo)，并且在很寬的頻率下電機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)行，電磁噪聲和發(fā)熱量也較低。而該驅(qū)動(dòng)器也具有許多專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器所不具備的優(yōu)勢(shì)，例如：?jiǎn)我浑娫摧斎耄恍枰饨涌刂齐娫春万?qū)動(dòng)電源;適應(yīng)25～85V寬范圍的輸入電源;體積較小，成本較低，相對(duì)于專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器可節(jié)省成本約20%左右。

4 結(jié)束語(yǔ) 　　

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：以單片步進(jìn)電機(jī)控制器L297為控制核心，采用由晶體三極管和功率MOS管組成的分立式的功率驅(qū)動(dòng)電路，以及以單片電流型脈寬調(diào)制（PWM）控制器SI9114A為核心的高頻開(kāi)關(guān)電源電路構(gòu)成并實(shí)現(xiàn)了一種通用性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、成本低廉的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)在包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際使用，進(jìn)一步證明了該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作可靠，效率高，矩頻特性好?？梢詮V泛應(yīng)用于小型機(jī)電一體化設(shè)備中，有效的降低成本，更好的滿(mǎn)足需求。