大功率步进电机控制驱动电路的设计

摘要：采用 NE555 设计步进电机脉冲产生电路，对 EPROM2716 进行编程实现脉冲环形分配，并决定四相八拍或四相四拍的驱动方式，电动机的运行方向由 74LS191 的 D1J 控制，设计了高低压驱动电路，减少了限流电阻的发热。 0 引言由于步进电机的转速仅取决于脉冲频率，不受电压高低、电流大小及其波形的影响，也不受环境温度变化的影响。步进电机的步矩误差不会长期积累，每转一周积累误差就自动变为零。具有自锁能力，定位精度高。当某相或某几相绕组处于通电状态，转子即可被锁住。由于能自锁，电机可停在一些稳定平衡位置上，因此即使开环控制，步进电机也有较高的定位精度。所以在数字控制系统中得到广泛的应用。步进电机的驱动是通过各相有节拍的通断电流来实现的，电机是感性负载，为了快速建立相应电枢电流，输入电压必须达到一定的值，但当电枢电流达到额定值之后，流过电机的相电流较大，在在回路中，必须串接限流电阻。对于大功率步进电机，其限流电阻上的发热功率很大，不仅驱动效率低，而且散热很难解决。为解决此问题，设计了采用高低压驱动电路的脉冲发生器、脉冲计数器和环形分配器。1 驱动电路1.1 脉冲产生电路555 定时器构成多谐振荡器来产生脉冲如图 1 所示。接通电源后，电容被充电，Vc 上升，当 Vc 上升到 23Vcc 时，触发器被复位，同时放电 BJTT 导通，此时 Vo 为低电平，电容 C 通过 R2 和 T 放电，使 Vc 下降。当 Vc 下降到 13 时，触发器又被置位，Vo 翻转为高电平。电容器 C 放电所需时间为：tPL=R2Cln20.7R2C当 C 放电结束时，T 截止，Vcc 将通过 R1，R2 向电容器 C 充电，Vc 由 13Vcc 上升到23Vcc 所需的时间为：tPH=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C当电容 C 上的电压 Vc 上升到 23Vcc 时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：f=1(tPL+tPH) 1.43(R1+2R2)C式中 tPL - 电容 C 通过 R 的放电时间tPH - Vcc 通过 R1，R2 向电容 C 的充电时间由于 555 定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。1.2 环形分配器电路由 74LS191 和 EPROM27l6 组成的脉冲分频器和环形分配器如图 2 所示。四相混合式步进电机具有反应式步进电动机和永磁式步进电动机的优点，有双四拍或四相八拍 2 种励磁方式，拍数都是 2 的幂，所以计数器可直接使用二进制可逆计数器。选用 74LS191，这是一种二-十六进制同步可逆计数器，时钟脉冲从 CP 端(14 脚)接人。计数器的输出 QA QD 连接到 EPROM2716 的低 4 位地址线 A0A3 ，这样可以选通 2716 的16 个地址(00H0FH)。存储器的内容从数据线读出，用低 4 位数据线(D0D3)作为四相驱动器各相输入线。EPROM2716 的第 4 条地址线 A4 作为励磁方式的转换信号输入端，其它地址都接地。当 A4 为低电平时，可选通 000H00FH 空间的 16 个地址；当 A4 为高电平时，可选通 010H01FH 之间的 16 个地址。其中 001H01FH 空间为四相八拍状态，存储 2 个循环，而 010H01FH 空间为双四拍状态，存储 4 个循环。LS191 第 5 脚为加减法输入控制端，用该输入端作为方向输入的控制信号，当为低电平时，执行加法计数，即正转状态；当为高电平时，执行减法计数，即是反转状态。LS191 的数据输入端A，B，C ，D 各管脚接地，而脚 11 是置数端，当为高电平时,LS191 为计数状态；当为低电平时，191 停止计数，而把数据端内容(ABCD)装入计数器。因此，管脚 11 通过电阻 10k 拉到高电平，引出线作为清零端(复位) ，当输入一个低电平脉冲时， 191 输出为零，可选通 2716 地址 000H 或 010H(视 A 状态定)，2716 输出状态为 A(四相八拍时) 或者AB(双四拍时)。2716 的管脚 OE 和 DE 分别为输出允许和片选端，一直接地使之处于选通状态。地址线 A4 作为方式控制端，当 A4=0 时，选通 00H0FH 空间，为四相八拍状态；当 A4=1 时，选通 010H01FH 空间，为双四拍状态。在需要零状态输出时，可将零状态内容的第 4 位存储 0。1.3 功率放大从环形分配器出来的脉冲，要经过功率放大器进行放大才能驱动步进电动机，步进电机的绕组中电流时间及电阻的关系为：提高电压 V，可以增大电流，但一旦电流建立到额定值后，就不需要高电压，只需低的电压就可维持额定电流。用 2 种电压进行供电，这就是步进电机的高低压驱动技术。高低压驱动方式电流波形如图 3 所示 。图 3 中的 Vh 是指驱动高电压； Vl 是指驱动低电压。由于电路参数没有改变，只是输入电压改变了，所以电流 Il 和 Ih 的上升时间 并没有发生变化。电机通过的总电流 Ih+l 达到额定电流 Im 的时间 Thl 比 小得多。限流电阻基本上按电机限流取值，而不是按时间常数 取值，其值很小。这种高低压驱动技术既达到了发热小的目的，又满足了电流快速建立的要求。高低压驱动技术对驱动方式和功率器件有较高的要求。由于双极性功率管的导通和截止速度低，限制了驱动频率的提高。有效的驱动频率只能达到 13 kHz。频率再高时，不仅各相上的电流有效时间小，而且由于电流不能按要求截止，各相力矩在较长时间内相互抵消，严重地降低了步进电机的有效输出力矩；双极性功率管的导通压降高、发热大、散热困难；双极性功率管的驱动电流大，驱动系统复杂。因此采用功率 MOS 替代功率三极管。功率 MOS 管的导通压降低；耐压高、电流大；导通速度很快；驱动电流小。采用一种功率 NMOS 管高低压步进电机驱动技术，其电源为负功率，电路如图 4 所示，这样就解决了 N 型管上拉负载的要求。大功率步进电机的各相是独立的。低压采用 12 V ，既能维持电机绕组足够的电压要求，又可使用较小的限流电阻。高电压采用 120 V 的电源，达到了快速的电流建立时间，且与常规的 NMOS 功率管的耐压匹配，在回路中串接隔离二极管 VDh，避免在高压导通时，低压功率 MOS 管承受很高的反压，以至很容易被击穿。高速光耦隔离驱动高压和低压的驱动信号是不共电位的，采用光耦来隔离驱动。另外，信号的控制电路不能承受电机驱动时的高尖峰冲击，也需要把控制信号和驱动器件隔离起来。选用高速光耦，最高速度为 10 MHz。在环形分配器的输出端还接了一个有 74LS123构成的单稳态触发器，用来产生大功率驱动所需的宽脉冲。1.4 高低压驱动步进电机的控制高低压驱动步进电机由 555 定时器产生基脉冲，74LS191 和 EPROM2716 组成脉冲分配器，经过 74LS123 产生大功率驱动所需的宽脉冲。 6N136 将脉冲隔离输出给驱动场效应三极管，功率放大分别接到步进电机的四相。通过模拟实验证明，取工作电压 30V，保持电流为 3A，电机的内阻为 0.2。普通三极管单电源限流电阻功耗