中文翻译-一种新的五相步进电机驱动电路开发

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 14 页一种新的五相步进电机驱动电路开发T.S.维拉孔和 T. 萨马拉纳亚克斯里兰卡，佩勒代尼耶大学工程学院，电子与电气工程学院摘要本文详细地介绍了一种新的五相步进电机驱动电路。这种新的驱动电路是由商业上现成的，廉价的，标准的步进电机驱动 IC 搭建，它能实现由内部电流回路驱动的闭环速度和位置控制。经证明，这种驱动电路能推广到任何更多相数的奇数相的步进电机。这种驱动电路具有速度控制和方向控制，包括全步、半步、顺时针、逆时针控制模式。1.概述在大多数机器人和自动化工程设计中，各种各样步进电机都被广泛应用来得到需要的运动姿态。步进电机倍受人们青睐是因为它不需要频繁的维护并能在苛刻的环境中运行。步进电机及其驱动器的选择要根据具体应用中需要的效果来决定。市场上最常见的是两相和四相步进电机。可是，实际应用中要求高精度，低噪声和低震动，因此五相步进电机得以应用。因为步距角较小，五相步进电机有较高的分辨率，较低的震动和良好的加速与减速特性。因此，确保设计的驱动电路能使步进电机充分发挥这些优点非常重要。因为在机器人应用中是很少见得类型，而且结构很复杂，很难找到它们的驱动 IC，只能专门定做。结果导致五相步进电机的驱动电路产品异常昂贵。用普通步进电机如二相与四相步进电机的驱动控制 IC 来制作其它步进电机的驱动电路是一种经济有效的方法。L297 继承了控制单极性和双极性步进电机所需要的所有控制电路系统。L298N 双 H 桥驱动器形成了一个完善的步进电机微处理器接口。在这里，我们通过给 L297 和 L298N 加上微处理器和逻辑控制系统研究开发出了一种新的五相步进电机驱动电路。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 14 页第二部分解释了元器件特性。第三部分介绍了控制逻辑电路设计。第四部分是接口设计，结果在第五部分。最后，第六部分加以总结。2.主要元器件特性分析如图 2.1 所示，集成块 L297 可以与 H 桥集成电路一起使用作为步进电机驱动器。在该设计中，H 桥的功能用 L298N 或者 L293E 实现。这要根据步进电机的额定功率而定。输入 L297 的控制信号可能来自为控制器或者外部开关。一个 IC 能驱动一个两相双极性永磁式步进电机，一个四相单极性永磁式步进电机或者一个四相变磁阻式步进电机。因为用到的电子元器件非常少，该设计好处颇多，比如，花费少，可靠性高，占用的空间相对较小。按照接收到的输入信号的不同，L297 产生三种不同模式的相位序列，即半步模式，全步模式和波形模式。图 2.1 用 L297 和 L298N 构成的驱动一个两相单极性步进电机或一个四相单极性步进电机的电路图A. 电流控制小型步进电机一般小型直流电源来控制绕组电流，它们的绕组电阻也是有限制的。在另一方面，拥有较大额定扭矩值的步进电机具有较小的绕组电阻。因此，它们需要对电流进行控制。L297 以两个脉冲宽度调制（PWM）斩波电路的形式提供负载电流控制，每个斩波电路由一个比较器，一个触发器和一个外部感应电阻组成。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 14 页在该理论中，当电机电流增加时，控制系统将电源电压施加到电机。如图 2.2所示，当电流值达到阈值时，控制系统将通过改变电源电压的占空比来维持电流的期望值。对于每一个斩波电路来说，步进电机电源电压的占空比（D ）定义为：D = Ton / (Ton + Toff), 式 2.1其中 Ton 和 Toff 分别是 H 桥的导通和断开时间。在斩波电路中，触发器由来自振荡器的各个脉冲置位，从而允许输出和允许负载电流增长。感应电阻两端的电压随着负载电流的增长而增长，当电压增长到 Vref 时，触发器被重置，输出中断直到下次振荡器脉冲到来。在该方法中，V ref 决定了负载电流的峰值。图2.2 包含触发器、振荡器和电压比较器的电流控制电路图2.3 用于电流控制的PWM操作的电压图 2.3 展示了穿过电机的电流是如何被控制的。当电机的电流超过设定值时，施加于电机端得电压将降为零。因此，电流将会衰减，最终电机电流被控制住。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 14 页L298N 是一块包含着两个 H 桥的单片集成电路。此外，低位晶体管的发射极被引出来作为扩展端子以允许电流敏感电阻的连接。B抑制斩波模式下的电流控制抑制斩波控制模式和相位线斩波控制模式是当今两种最常见的电流控制技术。在后一种方式中，当敏感电阻的电压达到 Vref 时,只有低端的开关断开。因此这种方法并不适用，我们选用抑制斩波模式。需要的开关序列可以直接来自L297N。抑制斩波模式可以通过将 L297N 的 CONTROL 端接地实现。然后斩波作用于 INH 端来控制通过电机线圈的电流。因此，L297 输出的 INH 信号对创造L298N 的使能信号起着非常重要的作用。在敏感电阻的电压达到 Vref 的情况下，斩波触发器被重置，INH 端子被激活并处于低电平状态。然后，所有四个桥电路截止。斩波频率由 L2907 内部的振荡器决定。在所有的晶体管截止之后，二极管为绕组电流提供转移通路。在下一个振荡周期里，H 桥导通。图 2.4 说明了当相信号 A 处于高电平而相信号 B 处于低电平的时刻的电流控制情况。为了产生和 INH1 信号相同的激发信号来控制负载电流，这些 A 和B 信号被输入到与 L298N 中高、低电平开关相连的两个与门。当且仅当 INH1为高电平时，与门的输出为高电平。图 2.4 当 CONTROL 为低电平时的抑制斩波波形3.逻辑电路设计如图 3.1 所示，在任何运行模式下，L297 的 A,B,C,D 相的波形每隔四个时钟周期重复一次。为构建五相步进电机驱动电路，在十个时钟周期之后对相波形进行转换十分重要。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 14 页图 3.1 在一般工作模式下，L297 四相步进电机的两相或者两相步进电机绕组被导通，每四个时钟周期后序列重复图 3.2 五相激励序列通过分析 L297 的 3 种工作模式，很明显应该选择一般工作模式，也通常被称作两相导通模式，来产生如图 3.2 所示的激励五相步进电机的序列。通过研究五相步进电机所需要的激励序列和 L297 的 A,B,C,D 相序列来设计出需要的逻辑电路。按照下列步骤进行。1、 如图 3.3 所示，从五相的激励序列中分离出每一相的高低侧晶体管激励模式。2、 从 L297 的 A,B,C,D 选出合适的相位来产生高侧激励序列。3、 利用微控制器的 A,B,C,D 输出信号和相关的与门产生 L298N 的输入信号。4、 产生 L298N 的 ENA（ A 使能）和 ENB（B 使能）信号。将 10 步的相型分为 20 步等同于 L297 输出的四个时钟周期的相型。图七解释了高、低侧激励序列的时钟周期选择。通过选择 L297 的合适的输出相位，可以产生高侧晶体管的激励序列。已经中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 14 页选择的顺序，即 L297 的两相导通模式如图 3.4 所示。微控制器信号用以产生所需的高侧脉冲模型。有四个输入端的 DM74LS08 含有两个门，用来将接收到的L297 信号和微控制器信号相与。如图 3.5 所示，输入信号和使能信号共同决定了高低侧晶体管的开关模式。因此，微控制器提供了使能（EN）信号。但是为了达控制电机电流的目的，INH 信号必须与 L298N 的使能信号衔接，这在下面的电流控制部分会有解释。图 3.6 解释了怎样利用由微控制器产生的所需的使能信号和来自 L297 的抑制（INH）信号来产生 L298N 的 EN 信号。这两种信号的与操作产生了 L298N 相关的 EN 信号。图3.3 需要的高低侧晶体管的激励序列图 3.4 L298N 输入信号的产生L298N 包含两个 H 桥，其中一个 H 桥的输出端被用作一相。H 桥的两个输入端彼此独立。因此，单独一个 H 桥的两个输出端都无法使用。为了产生五个相数（的信号） ，需要使用 3 个 L298N 双 H 桥驱动 IC。L298N 的输入端与输出端选中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 14 页择将在第四部分的图十三中加以说明。图3.5 L298N的拉高与接低操作图3.6 使能信号的产生4.接口设计用以产生 L298N 需要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扮演着主要角色。图 4.1 展示了 L297 的接口， DM74LS08 双与门 IC 和与微控制器 PIC16F877A 相连的 L298N。图 5.2 说明了电路的配置。为了限制通过电机绕组的电流，控制信号必须接地以进入抑制控制模式。微控制器提供了 CLOCK 信号，HALF/FULL 引脚必须接地来进入全步模式（两相导通模式） 。ENABLED 是用来控制电机运转的。当中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 14 页它处于低电平状态时，INH1, INH2, A, B, C, D 都被置于低电平状态。V ref 的取值设定了通过电机的电流。这里用到了两个 L297，必须使它们同步。这可以通过使用 L297 的 SYNC 引脚轻易做到。图4.1 系统框图图 5.2 说明了 L298N 的输入与输出端的使用方法。通常会在 Vs 和 Vc 与地之间使用 100nF 的无感电容。为了避免大电流时的大幅度电压降落，电流敏感电阻器的阻值必须小到 0.5。当 IC 的输入被截断时，外部桥式二极管提供电流通路。这里通常使用肖特基二极管，因为肖特基二极管容易恢复。5.结论对步进电机驱动电路的设计方式的理论分析和逻辑分析显示了驱动电路是一种具有几种操作模式和控制模式的简单结构。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 14 页图 5.1 L297 的配置 图 5.2 L298N 的配置如图 5.3 所示的步进电机驱动电路实物通过了下列性能测试：1. 速度控制性能2. 电流控制性能图 5.4（a）和（ b）展示了在每一相线端得激励信号波形。步进电机五相的激励序列说明它们是按要求工作的。图 5.4（b）显示了橙色的和绿色的激励序列来使黑色的激励序列与其他激励序列相比较。因为流过电机绕组的电流会使电容器充放电，在每一个激励点都会发生突变。通过变换电机五相的激励序列的频率，可以达到控制电机速度的目的。可以明显地看到，在相同的时间分辨率 5ms/div 下，在图 5.5（a） ， （b）中的电压序列的脉冲宽度是图 5.4（a ） ，（b）中的两倍。可以看出，与图 5.4 所示的激励序列相关的步进电机的转动速度（速度 1）是与图 5.5 所示激励序列相关的步进电机转动速度的一半。因此，通过改变由 PIC 微控制器产生的激励序列的脉冲频率，步进电机的速度也随之改变。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 14 页图5.3 带微控制器的驱动电路图5.4（a）在速度1下的蓝、红、橙、绿相电压图5.4（b） 在速度1下的橙，绿、黑相电压中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 14 页图5.5（a） 在速度2下的蓝、红、橙绿相电压图5.5（b） 在速度2下的红、橙、绿、黑相电压中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 14 页图5.6（a） 、 （ b） 、 （c ）证明了该步进电机驱动电路的电流控制能力。为了达到证明效果，这里只考虑了红色相电压，图5.6给出了在更高的V ref (=600mV)下的电流波形，该电压高于V sense。此时，INH信号并未接地来限制通过步进电机的电流。每一相都有正负电流部分，因为相电压从+V s, +Vs/2变化到 0V，相电流也分别从正、零变为负，相当于后者的电压变化。通过截断L298N的抑制信号（INH信号） ，电机端子上的电压被限制以控制通过电机绕组的电流。图5.6（a ） 当V ref = 120 mV时的相电流和INH信号的变化图5.6（b）和（c ）给出了当 Vref 取两个不同值200mV 和120 mV 时的电流控制能力。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 14 页图5.6（b） 当V ref = 200 mV时的相电流和INH