原创一种实用的三相步进电机驱动器的设计

 2008-5-10 01:29  2437 5 5 分类: 模拟

步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，是较早使用的典型机电一体化元件组件
例如，在机械装置中可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用步进电机带动螺旋电位器，调节电压或电流，从而实现对执行机构的控制。步进电机可以直接接收数
字信号，不必进行数模转换，使用起来非常方便，在阀门控制、数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电机、步进电机驱动器构成了步进
电机系统不可分割的两大部分。本文介绍一种实用的三相反应式步进电机驱动电路的设计。

1 应用器件简介
1.1 PMM8713芯片

PMM8713是由日本Sanyo(三洋)电机公司生产的步进电机控制用脉冲分配器(又称逻辑转换器)，为双列直插式16脚单片CMOS集成芯片。
PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。励磁有1相、2相和1-2相3种方式，通过电路设计可任选其中的一种激励方式。此外，
PMM8713还具有单时钟或双时钟工作方式，带有正反转控制功能以及初始化复位功能，其内部有时钟选通、激励方式控制、可逆环形计数、激励方式判断等电
路。
    因为PMM8713所有输入端均采用施密特整形电路，因此抗干扰能力强。输出电流大于20 mA，可直接驱动微型步进电机。逻辑框图如图1所示。

1.2 LM331芯片
    LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压(F/V)转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其逻辑框图如图2所示。


LM331内部有输入比较电路、定时比较电路、R-S触发电路、复零晶体管、输出驱动管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护电路等。输出
管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外。
LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40 V，输出也高达40 V。
1.3 电压-频率变换
    LM331外接电路简单，只需接入几个外部元件就可以方便地构成电压/频率(V/F)或频率/电压(F/V)变换电路。本文选用LM331的电压/频率(V/F)转换功能.结构如图3所示。


外接阻容Rt、Ct和内部电路构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入正电压
时，Vi+大于Vi-，输入比较器输出高电平，R-S触发器置位，输出高电平使输出驱动管导通，从而第3脚f0输出逻辑低电平。同时，电流源IR对电容
CL充电。由于复零晶体管的基极接在R-S触发器的反相输出端，因此，复零晶体管截止，电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当Uct大于2/3
Vcc时，定时比较器输入端(第5脚)为正，因而输出逻辑高电平至R-S触发器的复位端，使R-S触发器复位。R-S触发器正相输出端输出低电平使输出驱
动管截止，Vdd通过上拉电阻R0使LM331第3脚f0输出逻辑高电平。此时，R-S触发器反相输出端输出高电平使复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶
体管对地放电。电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL对地放电。当电容CL放电电压等于输入比较器的正输入端电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使
R-S触发器置位，输出驱动管导通，f0输出逻辑低电平。如此反复循环，从而在f0端输出一定频率的脉冲信号。根据电容上电荷平衡原理和相关电学知识，设
电容的充电时间为t1，放电时间为t2。由C=Q/U， I="Q/t"，Q_放=Q_充，可以得至I_放t₂=I_充t₁→t₂U_L/R_L=(I_R-U_L/R_L)t₁→(t₁+t₂)= (I_Rt₁R_L)/U_L；又f=1/T，这里T=t₁+t₂，所以：
f0=1/(t1+t2)=UL/(I_Rt₁R_L)
    UL为电容C 两端的电压，因为UL在大约10 mV的范围内波动，因此，UL=Vi，故：
f0=V_i/(I_Rt₁R_L) (1)

从(1)式可以看出，LM331的输出频率.
f0与输入电压Vi成正比，从而实现了输入电压和输出频率的变换。t1由外接的定时元件Rt和Ct决定，其关系为t1=1.1RtCt，这样可以依据设计
电路的要求相应地选取Rt和Ct的值。由内部精密电流源提供.IR=1.9 V/Rs。式(1)可变为
f0= V_iR_s/(2.09R_LR_tC_t) (2)

输入电阻Ri使7脚偏流抵消6脚偏流的影响，从而减小了频率偏差。Rs为可调电阻，它的作用是调整LM331的增益偏差。Ci为滤波电容，一般为
0.01～0.1
uF，在滤波效果较好的情况下，可使用1uF的电容。当6脚和7脚的RC时间常数匹配时，输入电压的阶跃变化将引起输出频率的阶跃变化。为了提高精度和稳
定度，阻容元件选用低温度系数的器件。

2 驱动器电路设计
    驱动电路如图4所示。外接电阻Rt和电容Ct
、内部定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入的电压大于Vi-输入端的电压时，f0输出逻辑低电平。同时，电流源
IR对电容CL充电。电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端的充电电压大于Vcc的2/3时，输出端，f0输出逻辑高电平。f0信号输
出至PMM8713
芯片的时钟端，该频率经PMM8713处理后，在A、B、C脚输出一定频率的驱动信号来控制功率三极管的导通时间，从而控制步进电机的转速。


方向控制电路由LM348四电路通用运算放大器构成。外部方向控制信号通过LM348和基准电压构成电压比较电路。当Vdi大于基准电压VH时，U3A输
出为正，接至PMM8713的第4脚，控制输出端输出正相脉冲序列。当Vdi小于基准电压VH时，输出端为负，接至PMM8713的第4脚，控制输出端输
出负相脉冲序列，相应相驱动输出端输出正反向脉冲序列，从而控制步进电机的正反转。

由LM331给出的输入指令是输入时钟f0和方向指令DIR，这2个指令在PMM8713中经逻辑组合转换各相通断的时序逻辑信号。PMM8713的相驱
动输出端(PIN10～PIN13)的驱动电流达20
mA以上，能直接驱动微型步进电机。R1、C1为开机时自动初始化电路。初上电的数十毫秒内R端为低电平，从而A～D端自动复位至初始状态。如果外接的步
进电机功率较大，PMM8713输出驱动端驱动能力不够，此时应设计功率放大驱动电路，然后再驱动步进电机。PMM8713各相输出端的导通顺序逻辑信号
送至功率驱动段转换成内部功率开关的基极(或栅极)驱动信号。步进电机驱动方式按相绕组流过的电流是单向或双向可分为单极性和双极性驱动，通常，三相步进
电饥采用单极性驱动。从功率驱动级电路来分析，又有电压驱动和电流驱动之分。本设计中采用串联电阻电压驱动方式。在相绕组中串接一定阻值和功率的电阻，一
方面减小了绕组回路的时间常数，同时又对低频和静止工作时的电流进行限制。

利用上述原理设计了一个自动闸阀控制器，闸阀的上下位置采用限位开关控制，利用相应的电路使限位开关的动作改变图5所示LM348比较电压输入端电压的大
小，从而控制步进电机运转还是停转。其工作原理；LM348的同相输入端为基准电压端，其反向输入端为比较电压输入端，当比较电压输入端的电压小于基准电
压时，LM348的1引脚上输出高电平，使BD237导通，从而使步进电机能够实现正转或反转；当比较电压输入端的电压高于基准电压时，在LM348的1
引脚上输出低电平，BD237截止，步进电机停转。