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基于一种低成本的新型步进电机驱动器的研制

作者:  时间:2011-08-05 22:31  来源:EDN

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  步进电机是由脉冲控制运行的特殊同步电动机,对应每一供电脉冲,都产生一个恒定量的步进运动,可以是角位移或线位移。步进电机可以实现信号变换,是数字控制系统中广泛应用的执行元件。它具有一定的开环控制精度,步距误差不长期积累,易于启动、停止、正反转及变速,与上位机接口简单方便等特点。随着电力电子技术、控制技术以及电机本体的发展,步进电机在办公自动化、工业自动化机器、数控机械等众多领域获得更广泛的应用。

  同时步进电机驱动器也得到了很大的发展和改进[2,3,4]。但是目前在工业应用中,多数驱动器体积较大,通用性不强,往往要求外接多路电源,而且成本不低。为此,本文提出了一种单一电源输入、宽电压、宽电流、低成本的两相混合式步进电机驱动器设计方案,并通过试验和实际使用验证了其通用性强,控制简单,可靠性高的特性。

  1 步进电机驱动器系统结构

  该驱动系统的主要指标要求:

  (1)低成本、小体积;

  (2)宽范围单电源输入:2585Vdc

  (3)输出每相电流最大值:7A

  根据系统要求,设计的步进电机驱动控制系统框图如图1所示。该系统中,以单片步进电机控制器集成电路L297为控制核心,由于其内部集成了脉冲分配器、PWM斩波器以及输出逻辑控制单元等丰富模块,使系统控制更加方便简单。采用由晶体三极管和功率MOS管组成的分立式的功率驱动电路代替集成块电路,使系统成本降低,而且能够满足驱动宽电压、大电流的步进电机的要求。以单片电流型PWM控制器集成电路SI9114A为核心,设计的高频DC-DC变换电路解决了系统所需多路电源的需求,降低了系统功耗,减小了电源电路的体积,并且降低了成本。

1 步进电机驱动控制系统框图

  系统接收步进脉冲信号CP、方向信号DIR、脱机信号FREE以及工作方式选择信号MODE,通过光耦隔离输入给L297,然后按一定的规律进行分配并输出逻辑控制信号,再经过功率驱动电路进行放大后加到步进电机各相输入端,以驱动步进电机按指令运转。此外系统还具有相电流大小选择、半流锁定以及过流保护等功能。

  2 系统设计中的几个关键点

  2.1 步进电机控制电路的设计

  步进电机控制电路以L297为核心。通过内部集成的脉冲分配器产生三种相序信号,对应于三种不同的工作方式:半步方式;基本步距,一相激励方式;基本步距,两相激励方式。脉冲分配器内部是一个3位可逆计数器,加上一些组合逻辑,产生每周期8拍格雷码时序信号,就是半步工作方式时的时序信号。而在基本步距工作方式时,则产生每周期4拍的时序信号。L297的另一个重要组成是由两个PWM斩波器来控制相绕组电流,实现恒流斩波控制,已获得良好的转矩频率特性。每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器和外接采样电阻组成,并设有一个通用振荡器,向两个斩波器提供触发脉冲信号,而脉冲频率由外接的RC网络决定。L297CONTROL端用来选择斩波信号的控制,将其置为低电平,以使斩波信号作用于INH1INH2,而由ABCD端来控制绕组的通断与极性。相绕组电流峰值由VREF端来决定。

  恒流斩波控制技术是目前步进电机控制的主流技术,驱动方式采用PWM等方式,使相绕组电流无论在低频或高频段工作时都保持基本恒定。由于电机的电磁转矩只与电机相绕组电流相关,所以恒流斩波控制技术能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。同时,电机的高频响应得以提高,共振现象减弱。该两相混合式步进电动机驱动器充分利用了L297的功能,采用恒流斩波驱动控制方法。通过采样电阻反馈相绕组电流值与设定的相绕组电流峰值相比较,产生驱动控制信号,使电源电压工作在开关状态,进而使绕组电流保持在设定值附近波动。由于电源电压并不是一直向绕组供电,而只是一个个窄脉冲,总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积的积分,取自电源的能量大幅度下降,降低了发热量,具有较高的效率。

  2.2 半流锁定功能的实现

  步进电机在运行过程中,为输出较大的转矩及具有快速响应,应保持绕组电流为额定值而不使其下降。但在电机的锁定状态通常没必要输出大的转矩,为减少电机的发热,提高系统的效率,减轻驱动器的负担,可在锁定状态适当降低绕组电流。本驱动器设计的锁定电流减半功能电路如图2所示。图中,CLK为步进脉冲信号CP经过光耦隔离后的信号。该电路中采用可重复触发的单稳态触发器74LS123,其输出脉冲宽度TW为:

  当CLK的周期小于或等于TW时,晶体管一直处于截止状态,不存在锁定时间。而当CLK的周期大于TW或处于静止状态时,晶体管导通,电阻R1并联至参考电压端,使参考电压减半,即实现了电流减半的功能。

2 半流锁定功能电路图

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