CN202121539U

CN202121539U - 步进电机恒频调制细分驱动器

Info

Publication number: CN202121539U
Application number: CN 201120255408
Authority: CN
Inventors: 廖高华; 刘德辉
Original assignee: Nanchang Institute of Technology
Current assignee: Nanchang Institute of Technology
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2021-07-19

Abstract

本实用新型公开一种步进电机恒频调制细分驱动器，包括环形分配器，速度控制、正反转控制模块、数/模转换电路、恒频脉宽调制电路、信号放大电路、驱动电路、检测保护电路等。改善步进电机的负载特性，充分发挥出步进电机的性能潜力，使步进电机获得更高的性能，研制了一种恒频调制细分驱动***。应用成熟的EDA技术实现步进电机的微步控制，场效应管作为功率驱动开关管，这种新型的驱动器集成度高，体积小，简化了***设计，步距角分辨率高，改善了低频稳定性和高频矩频特性，而且有良好的适应性和自保护能力，提高了驱动器的稳定性和可靠性。

Description

步进电机恒频调制细分驱动器

技术领域

本实用新型属于电气设备及电气工程的步进电机驱动器，特别涉及一种步进电机恒频调制细分驱动器。

背景技术

步进电机是一种作为控制用的特种电机，是把数字量转化为角位移的电气传动器件，它的运转与控制脉冲同步，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制***，也可在要求更高精度时组成闭环控制***。步进电机的运行不能由普通的交直流电源供电，需要专用的驱动设备，所以步进电机的性能很大程度上取决于其驱动***性能的优劣。目前市场上的步进电机驱动器大多是由单片机和分立元件组成，***集成度低，抗干扰能力差，低频共振，低速运行平稳性较差，高速运行的快速响应能力较差、易失步、效率较低等，步距角分辨率不高，导致步进电机定位精度不高，制约了步进电机的应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的针对现有技术存在的问题和不足，提供一种步进电机恒频调制细分驱动器。

技术方案如下：

一种步进电机恒频调制细分驱动器，包括环形分配器，速度控制、正反转控制模块，数/模转换电路，恒频脉宽调制电路，信号放大电路，驱动电路，以及检测保护电路，从控制器输入的脉冲、方向信号送给以EDA为核心的控制模块，经过该EDA控制模块判断处理后，输出相应的细分控制数据至D/A转换器，D/A转换器根据电流设定值，经运算放大器后输出模拟阶梯电压参考信号，同时输出环分信号；该阶梯电压参考信号与步进电机的电压反馈信号通过恒频脉宽调制电路进行比较后产生脉宽调制波，然后通过驱动电路控制电机绕组的电流来驱动步进电机运行。

EDA采用EPM7064S，EPM7064S以逻辑控制信号输出相应的细分控制数据至D/A转换器DAC0808进行数模转换，D/A转换器根据电流设定值，输出模拟阶梯参考电压信号VA。

恒频脉宽调制电路包括比较强U23和D触发器U30，比较器U23A将D/A输出阶梯参考电压VA和绕组检测电压Vr比较后的输出信号与D触发器U30的输入端连接，当Vr>VA时，比较器U23A输出低电平，D触发器输出低电平，绕组电流I₀下降，使Vr<VA；当Vr<VA时D触发器输出高电平，绕组电流I₀上升。

还包括单稳态出发电路，单稳态出发电路含有单稳态触发器74LS123和三输入与非门74LS10，其中单稳态触发器74LS123的输出端Q与非门74LS10的一个输入端连接；相绕组导通期间，相导通脉冲信号同时输送至单稳态触发器74LS123的上升沿触发端B和与非门74LS10的另一输入端；所述D触发器U30的Q输出端与单稳态触发器74LS123第三个输入端连接，与非门74LS10的输出端控制高压开关管连接。

还包括RC阻容回路，单稳态触发器74LS123的RCext端和Cext端并联有电容，RCext端连接有上拉电阻，该电阻为可调电阻。

检测保护电路中含有过流过热保护电路，该电路包括555电路和串接在步进电机绕组回路的取样电阻，该电阻一端接地，另一端与555电路的高触发端连接。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型改善步进电机的负载特性，充分发挥出步进电机的性能潜力，使步进电机获得更高的性能，研制了一种恒频调制细分驱动***。应用成熟的EDA技术实现步进电机的微步控制，场效应管作为功率驱动开关管，这种新型的驱动器集成度高，体积小，简化了***设计，步距角分辨率高，改善了低频稳定性和高频矩频特性，而且有良好的适应性和自保护能力，提高了驱动器的稳定性和可靠性。

2、本实用新型的驱动器利用EDA器件，其硬件相对简单，集成度高，采用细分技术，步距角分辨率高；利用场效应管作为功率驱动开关管，使步进电机获得了更高的性能，具有较好的动态和静态驱动特性。降低开发成本的同时，又增加了稳定性和可靠性，具有较好的动态和静态驱动特性，有效地提高步进电动机***的运行效果。

附图说明：

图1是本实用新型驱动器总体结构框图。

图2是三相六拍环形分配器脉冲图。

图3是阶梯参考电压。

图4是DAC0808单极性输出图。

图5是恒频脉宽调制信号电路。

图6是单稳态电路。

图7是单稳态电路各点波形图。

图8是末端驱动电路图。

图9是检测及保护电路。

具体实施方式

实施例：参见图1-图9。

步进电机恒频调制细分驱动器主要包括以下部分：环形分配器，速度控制、正反转控制模块、数/模转换电路、恒频脉宽调制电路、信号放大电路、驱动电路、检测保护电路等。结构框图如图1所示，虚线框为EDA编程后的内部模块原理图。其工作过程如下：从控制器输入的脉冲、方向等信号送给以EDA为核心的控制模块，经过判断处理，信号输出相应的细分控制数据至D/A转换器，D/A转换器根据电流设定值，经运算放大器后输出模拟阶梯电压参考信号；同时输出环分信号，参考信号与电压反馈信号比较，通过恒频脉宽调制电路产生脉宽调制波，通过驱动电路控制电机绕组电流，驱动步进电机运行。

环行分配器：环分电路的Verilog HDL实现整个芯片采用模块化设计方式、TOP-DOWN的设计方法。直接在EPM7406S中实现可逆计数器，根据计数器的状态用组合逻辑来确定数字向量的状态。对三相电机A、B、C三个输出端，三相六拍工作时的环分脉冲信号如图2。

阶梯参考电压：细分控制是通过控制步进电机各相绕组中的电流，使其按一定的规律阶梯上升或下降，每次只改变绕组电流的一部分，从而获得从零到最大相电流的多个稳定的中间电流状态，相应的定子电流产生的磁场矢量也就存在多个中间状态，这样气隙合成磁势也将有多个稳定的中间状态，转子就沿着这些中间状态以微步距角转动。合成磁场矢量的幅值决定了转矩的大小，相邻两条合成磁场矢量的夹角决定了微步距角的大小。

EPM7064S器件实现了逻辑控制信号输出相应的细分控制数据至D/A转换器DAC0808进行数模转换，D/A转换器根据电流设定值，输出模拟阶梯参考电压信号VA，其时序周期和相位与环分信号A、B、C三相输出信号相同，阶梯越多细分就越大。由于EPM7064S器件内有嵌入式阵列块(EAB)，EAB是一种输入输出端带有寄存器的非常灵活的RAM，可作为存储器使用，EPM7064S器件直接与DAC0808连接，不必外接数据所存器或通过I/O接口芯片连接。其波形图如图3所示：

DAC0808为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。采用OP07通用运算放大器与DAC0808构成单极性的模拟电压输出，产生模拟量的阶梯电压。电路图如图4所示：

恒频脉宽调制电路：在恒流阶段可采用定频脉宽调制，使其功率场效应管工作在开关状态，脉冲发生器方波用于恒频脉宽调制，D/A输出阶梯参考电压VA，比较器U23A用于阶梯电压VA和绕组检测电压Vr进行比较，D触发器U30A用于恒频脉宽调制和阶梯控制的合成。斩波调制信号专用脉冲发生器产生。为避免产生电磁噪声，脉冲频率取20kHz，调制电路如图5所示。将此脉冲供给步进电机各相驱动电路作为斩波调制信号，使步进电机各相斩波同步。这样不会产生电磁噪声，可避免由于步进电机各相斩波不同步而产生的差拍噪声，同时整个电路也变得简单。

其工作原理如下：对给定参考电压VA，U23A输出高电平，CLK0信号的上升沿使D触发器的Q=1，T_h(高端场效应管)、T_L（低端场效应管）导通，则绕组电流I₀迅速上升，当Vr(检测电压)>VA时U23A输出低电平，D触发器输出低电平，T_h、T_L截止，I₀下降，使Vr<VA，此时D触发器又输出高电平，T_h、T_L又导通，则绕组电流I₀重新上升，此过程一直重复。恒频脉冲频率较高，使得Vr基本保持在VA值，且I₀波顶比较平稳。若有较大的阶梯上升时，T_h、T_L 导通的时间较长，直到Vr≈VA为止;若有较大的阶梯下降时，T_h、T_L截止的时间较长，直到Vr≈VA为止。这样通过控制开关管的开通时间达到恒频脉冲调宽细分的目的。

单稳态电路：电动机在运行过程中，为输出较大的转矩及高的响应，就总是力图保持绕组电流为额定值而不使其下降。为了减少电动机的发热，提高***的效率，减轻驱动器的负担，可在锁定状态适当降低绕组的电流。一般可设定为额定值的2/3、1/2或1/3，视负载性质而定。

驱动器的锁定电流调节功能是靠关断高压而由低压电源独立对电动机绕组提供锁定电流实现的。相绕组导通期间，本来是由比较器产生斩波脉冲去控制高压开关管，但在电路中，高压斩波脉冲不是直接耦合到高压推动级，而是通过由74LS123和74LS10(U26A)两芯片组成的门控电路来进行控制，如图6所示。

相导通脉冲同时送入单稳态触发器74LS123和与非门74LS10，由于脉冲从74LS123上升沿触发端A进入，故当导通脉冲前沿到来时，单稳态翻转，输出端Q变高电平，此时74LS10输入端1和2均为高电平，由比较器产生的斩波脉冲可以从74LS10中通过。但单稳态电路输出端高电平是暂态，经过RC阻容回路决定的时间之后，即翻转为低电平，该低电平封锁与非门74LS10，使比较器产生的斩波脉冲不能通过，高压处于截至状态，此时绕组电流只靠低电压电源供电。各点的波形图如图7所示。

高压管斩波工作的时间，由单稳态输出高电平的时间决定，可由式计算。在相导通脉冲前沿到来的

时间内，绕组电流主要由高压供给，进行斩波控制，而在

以后至相绕组导通脉冲后沿这段时间内，绕组电流由低压电源供给。电动机在锁定状态时，除初始时间

内斩波器工作外，其余都处于低压供电状态。锁定电流的大小取决于低压电源的高低及相绕组电阻的大小。可设计锁定在电流额定值的一半左右实现锁定状态的减半功能。当相绕组导通时间小于或等于

时，将不存在锁定时间。

功率驱动电路参见图8：功率驱动模块为步进电机输出电磁转矩提供高电压、大电流。由缓冲吸收电路、采用互补式放大电路、反压泄流电路、隔离电路等组成，并采用VMOS管作为末级功率驱动开关管和高低压驱动技术。

① 采用高低压驱动，高压使电流建立时间快，低压可维持电机绕组额定电流。

② 末级采用了VMOS管作为末级功率驱动开关管，电路导通压降低、耐压高，导通电流大、导通速度快、损耗低、电路简单可靠。

③ 反压泄流与缓冲吸收电路，二极管和电阻串联后并在绕组上，以释放绕组上电感存储的能量，同时消除尖峰电压对VMOS管的冲击。

④ 采用互补式放大电路R18，在Q16前加一级互补式晶体管保证功率管有更快的开关速度。同时在栅、源极之间并联一只电阻，以提高Q16的耐压和抗干扰能力。

上侧高压端场效应管驱动用快速型光隔4N25隔离，下侧低压端场效应管驱动，在信号控制下，对导通相，低端功率场效应管的要求是应在整个周期中均应导通。

保护电路：

（1）过压保护

当功率管截止时，电机绕组的电感产生很高的反压，采用二极管和电阻串联后并在绕组上，以释放绕组上电感存储的能量，同时P6KE200A 顺态抑制二极管作为保护作用，当电压超过P6KE200A额定电压时，P6KE200A迅速反向击穿，由高阻态变成低阻态，并把干扰脉冲嵌位于规定值，从而保证功率场效应管不受损坏，嵌位时间定义为从零伏达到反向击穿电压最小值所需要的时间。嵌位时间极短，仅1ns，所能承受的顺态脉冲电流值高达几十安培。

（2）过流过热保护

电路中以555(U20)电路和取样电阻R78等构成对Q7（VMOS管）的过流保护电路，其电路图如图9所示，其中电机相电流是通过一个串接在步进电机绕组回路的小阻值水泥电阻R78来检测，将电阻R78上的压降与555电路的参考电平V_ref相比较得到控制信号。当电流过大时取样电阻上的电压比参考电压高，则输出低电平，切断各相的脉冲信号，使各功率Q7管关断，防止了大功率Q7管因过流而造成的损坏。

Claims

1. 一种步进电机恒频调制细分驱动器，包括环形分配器，速度控制、正反转控制模块，数/模转换电路，恒频脉宽调制电路，信号放大电路，驱动电路，以及检测保护电路，其特征在于，从控制器输入的脉冲、方向信号送给以EDA为核心的控制模块，经过该EDA控制模块判断处理后，输出相应的细分控制数据至D/A转换器，D/A转换器根据电流设定值，经运算放大器后输出模拟阶梯电压参考信号，同时输出环分信号；该阶梯电压参考信号与步进电机的电压反馈信号通过恒频脉宽调制电路进行比较后产生脉宽调制波，然后通过驱动电路控制电机绕组的电流来驱动步进电机运行。

2.根据权利要求1所述的步进电机恒频调制细分驱动器，其特征在于，EDA采用EPM7064S，EPM7064S以逻辑控制信号输出相应的细分控制数据至D/A转换器DAC0808进行数模转换，D/A转换器根据电流设定值，输出模拟阶梯参考电压信号VA。

3.根据权利要求1所述的步进电机恒频调制细分驱动器，其特征在于，恒频脉宽调制电路包括比较强U23和D触发器U30，比较器U23A将D/A输出阶梯参考电压VA和绕组检测电压Vr比较后的输出信号与D触发器U30的输入端连接，当Vr>VA时，比较器U23A输出低电平，D触发器输出低电平，绕组电流I₀下降，使Vr<VA；当Vr<VA时D触发器输出高电平，绕组电流I₀上升。

4.根据权利要求3所述的步进电机恒频调制细分驱动器，其特征在于，还包括单稳态出发电路，单稳态出发电路含有单稳态触发器74LS123和三输入与非门74LS10，其中单稳态触发器74LS123的输出端Q与非门74LS10的一个输入端连接；相绕组导通期间，相导通脉冲信号同时输送至单稳态触发器74LS123的上升沿触发端B和与非门74LS10的另一输入端；所述D触发器U30的Q输出端与单稳态触发器74LS123第三个输入端连接，与非门74LS10的输出端控制高压开关管连接。

5.根据权利要求4所述的步进电机恒频调制细分驱动器，其特征在于，还包括RC阻容回路，单稳态触发器74LS123的RCext端和Cext端并联有电容，RCext端连接有上拉电阻，该电阻为可调电阻。

6.根据权利要求1所述的步进电机恒频调制细分驱动器，其特征在于，检测保护电路中含有过流过热保护电路，该电路包括555电路和串接在步进电机绕组回路的取样电阻，该电阻一端接地，另一端与555电路的高触发端连接。