基于一种低成本的新型步进电机驱动器的研制

　　2.3 分立式的功率驱动电路的设计

　　步进电机的功率驱动电路较为典型的设计一般都是采用集成电路，例如用双H桥高电压大电流功率集成电路L298，IR公司的MOSFET驱动集成电路等。然而对于L298，虽然简单方便，但是只可驱动母线电源电压为46V、每相电流2A以下的步进电机，因而它的电源输入范围相对较窄，局限性较大;而对于IR公司的MOSFET驱动集成电路，它的通用性很强，但是价格相对较贵，并不适于低成本的驱动器。为了避免上述集成电路的缺陷，在该步进电动机驱动器中，功率驱动电路采用分立器件来实现。

　　功率电路采用大功率双H桥电路，上半桥使用P沟道功率MOSFET IRF9540，下半桥使用N沟道功率MOSFET IRF540。这样可以满足驱动母线电源电压为85V、相电流7A的步进电机的要求。而且采用这种结构，可以简化驱动电路电源的设计，因为再不需要多个隔离的驱动电源，可以使母线电源与驱动电源共地。对于上桥P沟道功率MOSFET的栅极驱动采用由NPN和PNP三极管构成的互补式驱动电路，使MOSFET输入电容充放电电路的电阻都很小，加速了功率管的通断。并通过并接一个13V的稳压二极管，使得当母线电压较高时钳位MOSFET的栅源驱动电压，以避免其超过栅源击穿电压。而对于下桥N沟道功率MOSFET的栅极驱动采用简单的NPN三极管驱动放大电路，这样改善了MOSFET的开通过程，而且减少了驱动电源的功率;并在三极管的基极与发射极反并联二极管，这样就为输入电容提供了放电回路，加速了功率管的关断过程。当驱动电路直接来驱动功率MOSFET时会引起被驱动功率MOSFET的快速开通和关断，这就有可能造成被驱动功率MOSFET漏源极间电压的振荡。这样，一则会引起射频干扰;二则有可能造成功率MOSFET遭受过高的 而击穿损坏。为解决这一问题，采用在被驱动功率MOSFET的栅极与驱动电路的输出之间串联一个15 的无感电阻。具体的上、下半桥驱动电路分别如图3和图4所示。L297输出的载有斩波信号的INH1、INH2，与时序逻辑信号A、B、C、D经过逻辑门电路的恰当组合，产生PWM1和PWM2信号，作为驱动电路的斩波信号输入端。

图3 上半桥驱动电路

图4 下半桥驱动电路

　　2.4 高频开关电源电路的实现

　　该开关电源系统在结构上采用正激变换器的形式[5]，如图5所示。以VISHAY公司的SI9114A芯片为控制核心，用简单的脉宽调制方式取代复杂的谐振方式设计出功率为12W、工作频率为100kHz、输入直流电压范围为25～85V、输出直流电压12V的DC-DC变换电路。SI9114A采用占空比小于50%的恒频电流控制模式，通过提高转换频率，可以进一步减小储能元件的尺寸、降低系统的功耗、简化分布式电源的结构。通过简单的外接电阻ROSC和电容COSC配合芯片内部的振荡电路以及二分频电路设置系统工作频率为100kHz。为了解决由于直流母线电压与芯片控制电路电压存在很大压差所带来的启动问题，SI9114A采用了低功耗的BiC/DMOS电路和一种高压耗尽型MOSFET，使启动时的延迟以及需要大电容的问题得到解决。由于被检测电流波形前沿常夹杂有噪声电平，通过外接RC网络构成的低通滤波电路来抑制毛刺而使整个波形不产生畸变。各电源端也需要并接100nF的陶瓷电容用作高频旁路。输出驱动采用N沟道和P沟道互补型输出级，可以直接驱动功率MOSFET。另外还具有软启动和过压、过流保护的功能。

图5 正激变换器拓扑图

　　3 试验结果

　　该驱动器分别与型号为86BYG200、90BYG200的两台混合式步进电机相连接，进行了相关的矩频特性试验以及带额定负载下的长时间运行试验。试验结果表明，该驱动器能够达到与相应的专用驱动器相同的技术指标，并且在很宽的频率下电机都能稳定运行，电磁噪声和发热量也较低。而该驱动器也具有许多专用驱动器所不具备的优势，例如：单一电源输入，不需要外接控制电源和驱动电源;适应25～85V宽范围的输入电源;体积较小，成本较低，相对于专用驱动器可节省成本约20%左右。

　　4 结束语

　　本文作者创新点：以单片步进电机控制器L297为控制核心，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，以及以单片电流型脉宽调制(PWM)控制器SI9114A为核心的高频开关电源电路构成并实现了一种通用性强、控制简单、成本低廉的两相混合式步进电机驱动器。通过在包装机控制系统中的实际使用，进一步证明了该步进电机驱动器工作可靠，效率高，矩频特性好。可以广泛应用于小型机电一体化设备中，有效的降低成本，更好的满足需求。