兩相大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

1、兩相大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)結(jié)合電機(jī)專用控制芯片l297組成兩相步進(jìn)電機(jī)邏輯電路，控制大功率mo sfet管組成的h橋驅(qū)動(dòng)電路，并采用r2110驅(qū)動(dòng)功率管的柵極，簡(jiǎn)化了功率驅(qū)動(dòng)線路。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了大功率恒流斬波驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用細(xì)分控制方式，提高了控制精度；可用于大功率的自動(dòng)化設(shè)備中。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)：細(xì)分控制：l297；r21100引 言 步進(jìn)電機(jī)作為一種高精度的執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路由分立元件向?qū)Ｓ眉呻娐钒l(fā)展，不但給步進(jìn)電機(jī)控制帶來極大方便，而且體積縮小，成本降低，性能改善，調(diào)整方便，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗

2、干擾性。用來控制步進(jìn)電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括前級(jí)的微功率控制電路、驅(qū)動(dòng)電源和末級(jí)的功率驅(qū)動(dòng)部分。前級(jí)控制電路容易實(shí)現(xiàn)集成，通常是模擬數(shù)字混合集成電路；對(duì)于小功率系統(tǒng)，末級(jí)驅(qū)動(dòng)電路也已集成化。而對(duì)于大功率系統(tǒng)，末級(jí)功率驅(qū)動(dòng)集成芯片少見且價(jià)格較高。本文采用l297控制由p,21 10和大功率場(chǎng)效應(yīng)管組成的功率驅(qū)動(dòng)電路，并結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制，改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)。1工作原理 細(xì)分驅(qū)動(dòng)需要控制繞組電流的大小，有單電壓、串電阻驅(qū)動(dòng)和斬波恒流驅(qū)動(dòng)兩種方式。斬波恒流驅(qū)動(dòng)具有高頻響應(yīng)好、輸出轉(zhuǎn)矩均勻、能消除共振現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。本文選用此方式。在斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路中，繞組電流的大小取決于比較器的給定電壓，實(shí)

3、際是對(duì)應(yīng)各個(gè)電流臺(tái)階給比較器施加給定的電平。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。 環(huán)形分配器用來接受來自信息處理與控制單元的cp脈沖，并按步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。每來一個(gè)脈沖，環(huán)形分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)送入信號(hào)放大和處理級(jí)，結(jié)合給定的臺(tái)階電平，輸出有效的控制信號(hào)送入推動(dòng)級(jí)。這中間一般既需要電壓放大，也需要電流放大。信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和合成功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號(hào)，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。推動(dòng)級(jí)將信號(hào)進(jìn)一步放大送入驅(qū)動(dòng)級(jí)，有時(shí)它還具有電平轉(zhuǎn)換的作用。2硬件電路 本文設(shè)計(jì)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件電路框圖如圖2所示。

4、 圖2兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖21邏輯控制電路 應(yīng)用l297可以很方便地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。l297適用于雙極生兩相步進(jìn)電機(jī)或者單極性四相步進(jìn)電機(jī)的控制。它的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率電路。此器件只需要時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)，相位由內(nèi)部產(chǎn)生，可減輕微處理器的負(fù)擔(dān)和程序設(shè)計(jì)量。 l297的核心部分是一組譯碼器。它能產(chǎn)生各種所需的相序，有方向(ccc)和halffull及時(shí)鐘cp輸入，將譯碼器從一階梯推進(jìn)至另一階梯。譯碼器有4個(gè)輸出點(diǎn)連接到輸出邏輯部分，提供抑制和斬波功能所需的相序。l297另一個(gè)重要組成是兩個(gè)控制相繞組電流的fwm斬波器，以獲得良好的矩頻特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器、一個(gè)rs觸發(fā)器和外接采樣

5、電阻組成，并設(shè)有一個(gè)公用振蕩器，向兩個(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號(hào)。當(dāng)時(shí)鐘振蕩器脈沖使觸發(fā)器置l、電機(jī)繞組相電流上升，采樣電阻尺。上電壓上升到基準(zhǔn)電壓肘，比較器翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器復(fù)位，功率晶體管關(guān)斷，電流下降，等待下一個(gè)振蕩脈沖的到來。這樣，觸發(fā)器輸出的是恒頻1wm信號(hào)，調(diào)制l297的輸出信號(hào)，繞組相電流峰值由f。確定。f。由mcu發(fā)出數(shù)字命令經(jīng)dac轉(zhuǎn)換得到從而方便地獲得階梯電壓，產(chǎn)生階梯電流。此外l297也對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。 由于步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速較高、變化較大的場(chǎng)合下有失步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，在低速時(shí)甚至?xí)袷帯?。為了改善其運(yùn)行品質(zhì)，采用細(xì)分控制方法。步進(jìn)原理即是按一定的順序向各個(gè)繞組通電流脈沖，

6、以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)就是當(dāng)相鄰的兩相或多相繞組同時(shí)通電時(shí)，將原本一次到位的各相電流插入若干中間狀態(tài)，分成階梯，將離散變化的數(shù)字量連續(xù)化心。利用單片機(jī)和兩片l297即可組成細(xì)分電路。在電路設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)產(chǎn)生與l297相序一致的細(xì)分參考電壓p 0，由p0口輸出相應(yīng)的數(shù)組值經(jīng)da(20832的數(shù)模轉(zhuǎn)換后送給l297。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。采用雙緩沖方式接口，同步輸出兩組值。分別送給兩片l297的參考電壓腳。由兩片l297分別產(chǎn)生細(xì)分控制兩個(gè)回路需要的邏輯信號(hào)，如圖4所示。其中尺4和尺5分別是兩個(gè)回路的檢測(cè)電阻。vl和v2是經(jīng)da轉(zhuǎn)換得到的所需的臺(tái)階電平。22功率驅(qū)動(dòng)電路 由于兩相步進(jìn)

7、電機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)效率比單極性驅(qū)動(dòng)要高，故采用雙h橋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。開關(guān)管選用功率mosfet(rf450)。它的特點(diǎn)是開關(guān)頻率高，最高可達(dá)幾百千赫。峰值電壓達(dá)到500 v，峰值電流達(dá)到14 a。完全滿足大功率步進(jìn)電機(jī)的需求。rf450的驅(qū)動(dòng)電路采用r2110柵極驅(qū)動(dòng)器。該芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊。在芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。尤其是上管采用外部白舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他驅(qū)動(dòng)大大減少。 ir2110的主要特性有口：內(nèi)部應(yīng)用自舉技術(shù)未實(shí)現(xiàn)同一集成電路，可同時(shí)輸出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋中高壓

8、側(cè)和低壓側(cè)的通道信號(hào)。它的內(nèi)部為自舉操作設(shè)計(jì)了懸浮電源，懸浮電源保證了直接可用于母線電壓為4 v、500 v的系統(tǒng)中未驅(qū)動(dòng)功率。mosfet或i(bt。同時(shí)器件本身允許驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓上升率達(dá)50 p s、+50 vs，故保證了芯片自身有整形功能，實(shí)現(xiàn)了不論其輸入信號(hào)前沿的陡度如何，都可保證加到被驅(qū)動(dòng)mosfet或113bt柵極上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)前后沿很陡，這樣可極大地減少被驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)時(shí)間，降低開關(guān)損耗。器件的功耗很小，可極大地減少應(yīng)用它來驅(qū)動(dòng)mo s器件時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電路的電源容量。從而減小柵極驅(qū)動(dòng)電路的體積和尺寸。r2110的合理設(shè)計(jì)，使其輸入級(jí)電源與輸出級(jí)電源可應(yīng)用不同的電壓值，這樣就保證了

9、其輸入與(mos或t電平兼容，而輸出具有較寬的驅(qū)動(dòng)電壓范圍。而且它身可對(duì)輸入的兩個(gè)通道信號(hào)之間產(chǎn)生合適的延時(shí)，保證了加到被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中同橋臂上的兩個(gè)功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有一互鎖時(shí)間間隔，因而防止了被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通，發(fā)生直流電源直通而短路的危險(xiǎn)。 功率驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。柵極驅(qū)動(dòng)部分中(112為自舉電容vcc經(jīng)dll、(112以及下端的開關(guān)管給(112充電，以確保下管關(guān)閉、上管導(dǎo)通時(shí)，上管的柵極靠(112上足夠的儲(chǔ)能未驅(qū)動(dòng)。在ir2110上側(cè)和下側(cè)的輸出端分別加一個(gè)電阻，確保上下管不會(huì)直通，并且在功率管的柵極加穩(wěn)壓二極管作為保護(hù)，以免高壓損壞功率管。右側(cè)結(jié)構(gòu)與左側(cè)對(duì)稱。主

10、驅(qū)動(dòng)電路采用兩個(gè)獨(dú)立的h橋結(jié)構(gòu)。每個(gè)橋由4個(gè)功率管組成。每個(gè)功率管上都反向并聯(lián)一只二極管作為續(xù)流使用。左上管和右下管導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)左上管電機(jī)繞組右下管到地，右上管和左下管導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)右上管電機(jī)繞組左下管到地，電機(jī)繞組中流過方向相反的電流。3軟件組成 兩相步進(jìn)電機(jī)基本的控制方式有三種： 其中，+a+b和ab分別代表a相和b相正整步： 向通電和反向通電。整步工作方式和半步工作方單相勵(lì)磁兩拍：+a +b a b。 式都可以由l297方便的實(shí)現(xiàn)。而半步工作狀態(tài)的雙相勵(lì)磁兩拍： +a+b +ba ab 步距角小，更有利于細(xì)分控制。以半步工作方式b+a。 為例，4細(xì)分時(shí)各相通電時(shí)序圖如圖6。由于使用了l

11、297來實(shí)現(xiàn)相序分配，使軟件的工作量大大減少，并且提高了系統(tǒng)的可靠性。由此根據(jù)時(shí)序圖就可以很容易地編寫出步進(jìn)電機(jī)的控制程序，固化在單片機(jī)中在中斷程序里調(diào)用。系統(tǒng)程序框圖如圖7所示。 以p11作為l297皿ock的輸入，p10和p13分別為c和half引腳的輸入，在模式初始化中選擇步進(jìn)電機(jī)的工作方式和轉(zhuǎn)向。外部脈沖從單片機(jī)的外部中斷口送入，在中斷程序中進(jìn)行計(jì)數(shù)，查表，輸出有效數(shù)據(jù)，這樣使得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路能夠更好的與其他用途接口，方便地進(jìn)行調(diào)速控制。4結(jié)論 由單片機(jī)和l297組成邏輯控制電路，只需要較少的輸入信號(hào)，相位由l297內(nèi)部產(chǎn)生，減輕了片機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。用兩片l297分別控制兩相步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)繞組，由單片機(jī)輸出根據(jù)相序得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)da轉(zhuǎn)換送到l297實(shí)現(xiàn)了細(xì)分控制，能夠?qū)崿F(xiàn)256細(xì)分，有效地改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)?？梢栽趹?yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況選擇細(xì)分?jǐn)?shù)。而由r2110和大功率mosfet管組成的功率電路可以驅(qū)動(dòng)大電壓、大電流的步進(jìn)電機(jī)，具有快速完整的保護(hù)功能，極大地縮小了印制電路板尺寸。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，能夠用于大功率自動(dòng)化設(shè)備中。參考文獻(xiàn)1宋受俊，劉景林，韓英桃，張智慧兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)電氣傳動(dòng)，2002 (2)：