五相步进电机的新型驱动拓扑的开发3.doc

五相步进电机的新型驱动拓扑的开发T.S. Weerakoon and L. Samaranayake斯里兰卡 德尼亚佩拉大学 工程学院 电气与电子系摘要： 本文将详细说明五相步进电机的新型驱动拓扑结构。现货供应，低成本，标准的步进电机驱动集成电路是利用一种新型的五相步进电机驱动拓扑结构制成的，这种结构使速度和位置闭环控制由内部电流控制回路提供动力成为可能。经证明这种新型的拓扑结构能够运用到任何奇数相的步进电机。 所设计的驱动由整步，半步，以及由速度和电流控制顺时针，逆时针的驱动模式组成。 I 介绍 在许多机器人技术及自动化工程设计中，各种各样的步进电机会被用来获取所需的机器运转的数据图表。由于它们不需要经常地维护，能够在许多恶劣的环境中正常工作，所以成为首选。对于电机及其驱动电路的选择取决于应用中所需的性能特色的运用。两相和四相步进电机是市场上最常见的类型。 但是对于那些需要更高精密度，低噪音，低震动的应用来说，就会使用五相步进电机。由于五相步进电机的步距角小，它能提供更高的分辨率，加速度，制动。以及更低的震动。因此确定这些机动性能能否从设计好的新型拓扑结构中获得是很有必要的 由于五相步进电机在机器人技术应用中是很少用的类型，在加上它的构造非常复杂， 专门为它造的驱动集成电路很难找因此可用的五相步进电机的驱动电路非常昂贵。 利用现有的常见的类型如2和4相步进电机驱动控制集成电路以及以它们为雏形为其他步进电机制造新的驱动拓扑将是一个有效益的办法。 该L297集成电路集成了控制双核型和单极步进电机所需的所有控制电路，L298L双H桥驱动形成一个完整的微处理器到步进电机的接口。在这里，通过添加L297，L298L到微处理器和逻辑控制系统，对五相步进电机的新型驱动拓扑结构进行研究和的开发。本文也对完整的拓扑结构进行了描述。 第二节介绍了元件特性，第三节是关于控制逻辑电路设计的现象。该接口设计将在第四节和第五节给出。最后结论载于第六节。II. 主要元件的特性分析该 L297集成电路可以和电机驱动应用中的H桥驱动集成电路一起使用，如图1所示。在这种设计H桥功能是从L298N或L293E实现。这可能改变电机的额定功率。控制L297的信号可以从微控制器或从外部开关接收到。单个IC可以驱动2相双极永磁电机，一个4相单极永磁电机或4相可变磁阻步电机。因为很少使用的电子元件少，IC L297具有许多优点：成本低，可靠性高，占地少。L297会产生相序三种模式，即半步模式，全模式和根据接收的输入信号变化的波段模式。图 1采用L297和L298N芯片驱动2相双极或四相单极步进电动机的电路图A电流控制 小步进电机一般需要小型直流电源控制绕组电流，这些电源被绕组电阻所限制。另一方面，额定矩角值越大，绕组电阻就会越小。因此它们需要一个控制电流供应。 该L297以两脉冲宽度调制（PWM）的斩波电路的形式提供负载的电流控制，每个斩波电路由一个比较器，触发器和一外部感应电阻器构成。 在此方法，当电机的电流增大的时候，控制系统应用电源电压到电机上。当电流达到最大值，控制系统试图通过改变占空比的电压供应维持所需的电流值，如图2所示。对于每一个斩波电路，电源电压提供给电机的占空比（D）被定义为：D = Ton / (Ton + Toff), 在这里每吨和Toff的打开和关闭的持续时间在的H桥上分别进行。 在斩波电路中，触发器是由每个来自振荡器的脉冲所固定的，这些脉冲，使电流能够输出并且增加它的负荷，电流负荷增加，经过 电流灵敏电阻器的电压也会增加，当该电压达到Vref，触发器就会复位，直到下一个振荡脉冲到达，电流才能输出。在这个规律中Vref决定负载电流的峰值。图。 2。电路包含触发器，振荡器和一个用于电流控制的比测仪。图3。 控制电流的电压PWM操作图 图3显示了通过电机的电流如何被控制。当电动机电流超出设定值时，应用于电机末端的电压将被切断。因此，电流会衰减，最终电机电流可被控制。 该L298N是单片电路包含两个H桥，此外，较低晶体管的发射极连接被带到外端接口，使外部感应电阻器的电流连接起来。B.INHIBIT电路模式中的电流控制 斩波控制方式抑制电流和斩波控制相线的模式是最常见的，可用的两种控制电流的技巧。在后一种方法中，当经过传感电阻的电压达到Vref的，只有低边开关才会关闭。因此，这种方法并不适合。而斩波控制方式抑制电流已被使用。所需的切换序列也可以直接从L297上采取。 斩波控制方式抑制电流模式可以选择通过拉低L297输入信号的接地控制设备。然后，斩波器根据INH来控制电机线圈的电流。因此，由L297生成的INH信号的贡献对创造L298N使能信号来说很重要。在以下案例中，当传感电阻两端的电压达到Vref的时候斩波触发器就会复位，INH信号也会被激活减弱，。然后电压就会关闭H桥的四个开关。该斩波频率是由L297的内部振荡器决定。在关闭所有的晶体管后，二极管为绕组的电流提供转移的路径。而H桥的开关根据下个振荡周期而制作。、图4说明了在相位信号A高和B低的瞬间电流控制的现象。这些信号A和B供应给L298N两个连接到低高开关的闸门，从而产生和1NH1相同信号来控制负载电流。只有且仅当INH1高，这两个闸门输出地电流才会高。图 4当控制低时，抑制斩波的波形三。逻辑电路设计 在任何形式的操作中，4个周期后L297的ABCD的相位波段模式就会重复，如图5所示。转换十个周期后重复的相位波形对于获得五相步进电机的驱动拓扑来说是很有必要的图 6。五相励磁顺序 通过分析有关L297运行的三种模式，很显然，在正常的驱动模式下，应采用通常被称作两相驱动器模式来获得所需的五相步进电机的励磁顺序。如图6所示。 通过研究五相步进电机所需的励磁顺序以及L297的ABCD相位序列，已经设计好了所需要的逻辑电路的。下面是所提到的步骤。（一）从五相励磁序列分离出每个相的高低压侧晶体管励磁序列模式，如图6所示。（二）从L297的A，B，C和D中选择合适的相产生高压侧励磁序列。（三）用微控制器及端口闸门的ABCD输出信号生成到L298N的输入信号（四）建立L298N的使能信号A和使能信号B通过分配十步所需的相位模式到二十步所需的相位模式等同于L297四个时钟周期产生的输出波型在图7说明高低压侧励磁序列所需的周期选择 通过选择L297合适的输出相位，可从L297中产生高压侧晶体管励磁序列。被选中的序列是L297模式的两相模式，如图8所示。微控制器的信号用来生成所需的高压侧脉冲模式。The DM74LS08Quad 2-Input端口闸门被用来终止微控制器信号和来自L297的信号。 如图9所示，输入信号和使能信号决定高低压侧的晶体管的开关模式。因此，使能信号由微控制器提供。但要实现电机的电流控制，INH信号必须与使能信号接合到L298N，正如电流控制部分所解释那样，。在图10中说明L298的EN信号是如何通过利用微控制器和抑制来自L27的INH信号所需的使能信号产生的。一个关于输入和使能信号的AND操作会生成有关的L298N的 EN信号图 7所需的高，低侧晶体管励磁序列该L298N由H -桥构成，一个相位用到的一个输出信号和一个桥？、一个H桥的两个接收信号是相互依存的。因此单桥的输出信号是不能用的。要生产五相步进电机，需要三个L298N双路全桥驱动器集成电路。该L298N的输入与输出信号的选择都列在第四部分的图13上图8L298N输入信号的产生图9 拉高拉低L298N的运转图10使能信号的产生四。接口设计 用于生产L298N所需的输入信号的逻辑电路和微控制器控制信号在驱动电路中发挥重要作用。图11显示了L297的接口，DM74LS08 Quad 2-Input 端口闸门集成电路 和有microcontroller PIC16F877A的.L298N L297电路配置可见图12。该控制信号必须接地以获得抑制控制模式来限制通过绕组电机的电流时钟信号由微控制器所提供，半/整步的插脚应该弄低点来支持完整模式（两相位）的运作。使能信号用来控制电机的运动。当它低的时候，所有的INH1,INH2,ABCD插脚都会跟着变低。Vref的值规定了流过电机的电流。在这个配置中要用到两个L297集成电路，且让这两个电路同步是必须的。而采用L297的SYNC插脚就很容易使它们同步。 图11。系统的电路整合图 在图13中显示了L298N的输入和输出电极是如何使用的。通常用在地面上100nF的无感电容在Vs and Vc之间。电流感应电阻必须小到0.5以避免在大电流下电压的大量下降。外部二极管桥在集成电路的输入信号被切断的时候提供电流环流通路径。通常肖特基二极管因为恢复快而用在这里。五。结论关于步进驱动电路设计方法的理论和逻辑分析表明，它是一个具有几种操作和控制模式的构造。图12 L297的构造图13， L298N的构造 该步进驱动电路性能从以下方面测试。如图14所示 1。速度控制能力 2。电流控制能力 在图15（a）及（b）显示在每个相极形成励磁波形。所有五相励磁序列显示他们正在根据以上规定运转。图15（b）显示了另外橙色和绿色相励磁序列来比较黑相与其他相的励磁序列。由于通过流经绕组电机的电流充电和放电电容，在每个励磁点中都有一些瞬变电流。 通过改变五相电极的励磁序列的频率已经实现了电机速度的控制。很显然在同一时间规模5ms/div下图16（一），（二）中该序列的电压脉冲宽度是图15（a）（ b)中的两倍。据观察，在图15中与励磁序列相关的电机转速（速度1）是图16中的一半，因此，通过改变PIC单片机生成的励磁序列的脉冲频率可以改变电机的速度。图14 有微控制器的驱动电路图15 a在速度（一）下蓝，红，橙，绿相位的电压图15b在速度（一）下橙，绿，黑相位的电压图16 a在速度（二）下蓝，红，橙，绿相位的电压图16 b速度（二） 红，橙，绿，黑相位的电压 在图17（a）项，（b）项，（c）项中演示了电机驱动电路中电流的控制能力。为了示范只考虑了红色相位且图17（a）显示了在较高电压Vref（=为600mV）- 比Vsense电压更高下的电流波，之后，INH信号不必拉下来以限制电机吸收电流。由于相电压从+与+与/ 2至0V变化，而且相位电流根据电压变化分别从正，负，零变化，每个相有正极和负极的电流分量。通过切断到L298N的INH信号，电机电极的电压就会被限制从而控制通过每个绕组的电流。图17b 在bat Vref = 200 mV时相位电流和INH信号的变化图17 c在Vref = 120 mV下相位电流和INH信号的变化 图。 17（b）和（c）显示在两种不同的电压值200毫伏和120伏下电流的控制能力。六。结论 所推荐的5相步进电机新型驱动器与市场上可以以买到的步进电机驱动电路相比更经济。由于驱动含有必须的控制程序所以它可用于五相步进电动机普遍应用。 这种结构简单，设计小巧的驱动能够提供另一个好处。就是该驱动程序可用于机器人应用，因为它所需空间小。该驱动程序可以被看作是一个低成本五相步进电机驱动电路的原型。而且这种驱动有其他的许多功能如电流控制，速度控制等，它可以作为一种低成本，小巧的驱动电路引入市场。参考文献（1）NSedaghati莫卡塔里，“步进电机的微步驱动：案例研究“，http:/ece.ut.ac.ir/silab/publications/pdf/sedaghati_iscee06.pdf.（2）L297集成电路的数据表/datasheets_pdf/L/2/9/7/L297.shtmlL298N