CN100380801C - 一种步进电机驱动电路 - Google Patents
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Abstract
一种步进电机驱动电路，包括一单片机控制系统、与该单片机控制系统分别相连的驱动器主回路、光电隔离电路和细分方式倍率选择器，该单片机控制系统包括电流减半处理电路、步进脉冲产生电路、输入脉冲间隔检测电路、若干个D/A信号转换模块和自动细分控制处理单元。采用了上述的技术解决方案，在单片机控制系统的控制下，整步与细分实现无缝连接，且该细分自动切换为内部自动实现，不需外部输入脉冲。在低频启动时，采用内部自动细分，实现平滑过渡，高频时驱动器内部自动取消细分功能，直接转换为整步或半步驱动。本发明提高了电机驱动的性能，使电机运行噪声大大降低，并具有极其优良的高速性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种步进电机驱动电路，尤其指它的外部控制信号与普通的整步或半步驱动器无异，但其内部能智能判别外部输入控制脉冲的频率，内部设置自动细分，细分脉冲倍率自动切换。该步进电机驱动电路特别适用于要求较高的高速驱动电路。
背景技术
现有步进电机在某些低频段存在着固有的振荡现象，其原因是当电机转子在磁场力的作用下作加速运动，当转子转到新的平衡点时，其速度仍然比较高，使转子冲过平衡点，产生过冲，由于磁场力矩的存在，又使转子拉回平衡点，形成反过冲，最后电机转子在负载机械摩擦阻力的作用下，经过衰减振动稳定在新的平衡点上。但如果输入的换相频率接近转子的特征频率(或n倍)时，即进入共振区，则转子不一定经过衰减振动稳定在新的平衡点上，而有可能反冲过平衡点时，其能量足够大，又返回到原来的平衡点稳定下来，这时就产生了失步。尤其是当用户要提高步进电机在高频时的性能，增大输出力矩而采用高压大电流驱动时，更增加了低频振荡的机率。
当步进电机运行在高频段时，由于换相周期很短，绕组中的电流还未达到稳定值，下一个驱动脉冲就来了，转子始终被旋转的定子磁场牵着走，故不存在过冲，也不会产生振荡现象。
用户要使电机避免这种由振荡引起的失步，一种方法是使步进电机的运行频率避开这些振荡点，但是步进电机的振荡频率点是随着电机本身的固有特性、躯动器所使用的电压电流值及电机所带负载的不同而异，所以使用者用这种方法来选择电机的运行频率就显得非常困难。
另一个比较好的方法是采用近年来越来越被广泛使用的电流细分阻尼法。这种方法是把绕组的额定驱动电流分成若干个阶梯，每进一小步时，换一个电流级别。本质上也是对定子的旋转磁场进行细分步，从而把步进电机的步距角分得更小，使步进过程平稳畅顺。该方法从根本上消除了电机振荡的条件，极大改善了步进电机的低频驱动性能。但是细分电路并不能给电机的高频运转带来好处，在电机的高频运转时，电机绕组的电流上升速率已跟不上输入的细分频率，这时的细分已失去了调整实际功效，而且由于细分电路的电流换相点较窄，如工作频率过高，电机绕组的续流效应将对功率元件造成不利影响。
图1为举例二相电机的电流驱动波形，上半部分为带4细分的32步为一个周期的驱动波形，图中1，17，33所处的位置即为A相的换流点。下半部分为没有细分的8步为一个周期的半步驱动波形。
目前步进电机驱动器分两种类型：第一是基本型(整步或半步)，相电流是固定不变的，输入一个脉冲，走一个步距角；第二是外部脉冲固定细分型，依靠相电流的渐变来获得更细的步距角，走一个完整的整步或半步，需输入若干个固定细分脉冲。
上述两种驱动方式都有它们固有的缺陷：整步或半步的驱动，低频性能较差，易产生低频振荡，运转噪声较大，而固定细分的驱动虽能显著改善低频驱动性能，但无法实现高速驱动。
发明内容
本发明的目的是集上述两者驱动方式之优，提供一种性能优良的步进电机驱动电路。
本发明所提供的一种步进电机驱动电路，其特征在于：它包括一单片机控制系统、分别与该单片机控制系统相连的驱动器主回路、光电隔离电路和细分方式倍率选择器，该单片机控制系统包括电流减半处理电路、步进脉冲产生电路、输入脉冲间隔检测电路、若干个D/A信号转换模块和自动细分控制处理单元，其中：自动细分控制处理单元分别与电流减半处理电路、步进脉冲产生电路、输入脉冲间隔检测电路和若干个D/A信号转换模块相连，电流减半处理电路分别与若干个D/A信号转换模块相连，又：细分方式倍率选择器，用以细分方式倍率选择，决定细分方式是外部细分脉冲输入，还是由内部自动产生，另外还决定细分倍率值，并将选择结果送入自动细分控制处理单元进行处理；光电隔离电路，用以对外部输入的步进脉冲进行光电隔离后作为中断信号输出至所述输入脉冲间隔检测电路，并对外部输入的方向信号和允许信号进行光电隔离后，直接输出至自动细分控制处理单元；输入脉冲间隔检测电路，用以对光电隔离电路输出的中断信号进行间隔检测，输出检测结果；自动细分控制处理单元，用以对输入脉冲间隔检测电路输出的检测结果进行处理，向步进脉冲产生电路提供细分的可逆步序脉冲信号，向若干个D/A信号转换模块提供细分阶梯电流的相应数值，并根据当前脉冲间隔数值决定是否向启动电流减半处理电路输出开关量；电流减半处理电路，接受自动细分控制处理单元输出的开关信号，用以控制若干个D/A信号转换模块输出的模拟量进行减半处理；步进脉冲产生电路，根据自动细分控制处理单元输出的信息用以产生与躯动功放电路相匹配的步进电压脉冲；若干个D/A信号转换模块，用以接受自动细分控制处理单元输出的数字量和电流减半处理电路输出的开关量，经D/A转换后，向功放电路输出阶梯形的基准电流信号；驱动器主回路，用以接收步进脉冲产生电路产生的电机步进脉冲电压信号、若干个D/A信号转换模块产生的步进电机所需的若干路阶梯电流信号，经功率放大后以完成驱动步进电机的作用。
采用了上述的技术解决方案，在单片机控制系统的控制下，整步与细分实现无缝连接，且该细分自动切换为内部自动实现，不需外部输入脉冲。在低频启动时，采用内部自动细分，实现平滑过渡，高频时驱动器内部自动取消细分功能，直接转换为整步或半步驱动。本发明提高了电机驱动的性能，使电机运行噪声大大降低，并具有极其优良的高速性能。
附图说明
图1为现有二相步进电机的电流驱动波形图；
图2是本发明步进电机驱动电路的实施例(二相步进电机)的原理框图。
具体实施方式
如图2所示，本发明步进电机驱动电路的实施例，以二相步进电机为例，其核心是一个单片机控制系统，该单片机控制系统与步进电机的驱动器主回路8连接，接受外部光电隔离电路1和细分方式倍率选择器9的输出信号，进行处理。该单片机控制系统包括自动细分控制处理单元3、电流减半处理电路4、步进脉冲产生电路7、输入脉冲间隔检测电路2、A相D/A(数字/模拟)信号转换模块5和B相的D/A信号转换模块6。
细分方式倍率选择器9是外部设置的细分方式倍率选择，它决定细分方式是外部细分脉冲输入，还是由内部自动产生，另外还决定细分倍率究竟是2，4，20，100或其他。这些信息送入自动细分控制处理单元3进行处理。
驱动电路外部输入的步进脉冲CL，经光电隔离电路1光电隔离后作为单片机外部中断信号进入输入脉冲间隔检测电路2进行输入脉冲间隔检测供自动细分控制处理单元3处理。外部输入的方向信号DR和允许信号EA则经光电隔离电路1光电隔离后，直接进入自动细分控制处理单元3处理。
自动细分控制处理单元3，在输入信号EA有效的前提下，一旦有外部CL脉冲到来，就将启动自动细分控制处理单元3产生一系列动作，首先它得决定自己内部细分的频率，其内部脉冲的间隔t0＝(Ti+Δt)/n，其中Ti是上一次输入CL相邻脉冲的间隔，如果步进电机是刚从静止启动，则Ti由内部设定。Δt是上二次输入脉冲时间间隔的差值，正值代表减速，负值代表加速。n是内部细分的倍率，其值小于或等于外部设置的倍率，随着外部输入频率的增加而减小。综合这些因素后，它就向步进脉冲产生电路7送出步进电机所需的步进细分脉冲及向A相D/A信号转换模块5和B相的D/A信号转换模块6送出数字信号，分别进行A相和B相的D/A数字模拟信号转换。
自动细分控制处理单元3还将根据输入脉冲CL的有无，在短时间内(例0.1S)作出启动或关闭电流减半处理电路4电流减半处理电路，以降低静态时驱动器的功耗，而又保持驱动器一定的锁定力。
驱动器主回路8是PWM脉冲宽度调制型的功放电路，它接收步进脉冲产生电路7产生的Va，Va-，Vb，Vb-二相电机步进脉冲信号、A相D/A信号转换模块5和B相的D/A信号转换模块6产生的二相电机所需的二路阶梯电流信号，经功率放大后以完成驱动步进电机M的功能。
本发明的工作原理为：当驱动电路第一个驱动脉冲输入时，计算机自动给予细分数及对最低频率进行细分(无须外部输入细分脉冲)，从第二个脉冲开始则细分周期按上一个脉冲到当前脉冲的实测周期加预期变化(上一脉冲与前一脉冲的差值)计算，当输入脉冲频率大于某值时，取消自动细分。
本发明大大地提高了电机驱动的性能，适用于两相、三相、四相、五相步进电机驱动器的改造。
本发明由于它与不带细分的整步或半步的基本型驱动器外部控制信号完全兼容，可直接取代普通驱动器，而性能上却有极大的提高：启动平缓，避免了机械撞击，降低了噪声，彻底消除了驱动器在低频驱动时的固有振荡，它是普通步进电机驱动器的升级换代产品。可广泛运用于机器人、机床等高速精密自动控制设备上。
Claims (1)
1.一种步进电机驱动电路，其特征在于：它包括一单片机控制系统、分别与该单片机控制系统相连的驱动器主回路、光电隔离电路和细分方式倍率选择器，该单片机控制系统包括电流减半处理电路、步进脉冲产生电路、输入脉冲间隔检测电路、若干个D/A信号转换模块和自动细分控制处理单元，其中：自动细分控制处理单元分别与电流减半处理电路、步进脉冲产生电路、输入脉冲间隔检测电路和若干个D/A信号转换模块相连，电流减半处理电路分别与若干个D/A信号转换模块相连，又：
细分方式倍率选择器，用以细分方式倍率选择，决定细分方式是外部细分脉冲输入，还是由内部自动产生，另外还决定细分倍率值，并将选择结果送入自动细分控制处理单元进行处理；
光电隔离电路，用以对外部输入的步进脉冲进行光电隔离后作为中断信号输出至所述输入脉冲间隔检测电路，并对外部输入的方向信号和允许信号进行光电隔离后，直接输出至自动细分控制处理单元；
输入脉冲间隔检测电路，用以对光电隔离电路输出的中断信号进行间隔检测，输出检测结果；
自动细分控制处理单元，用以对输入脉冲间隔检测电路输出的检测结果进行处理，向步进脉冲产生电路提供细分的可逆步序脉冲信号，向若干个D/A信号转换模块提供细分阶梯电流的相应数值，并根据当前脉冲间隔数值决定是否向启动电流减半处理电路输出开关量；
电流减半处理电路，接受自动细分控制处理单元输出的开关信号，用以控制若干个D/A信号转换模块输出的模拟量进行减半处理；
步进脉冲产生电路，根据自动细分控制处理单元输出的信息用以产生与躯动功放电路相匹配的步进电压脉冲；
若干个D/A信号转换模块，用以接受自动细分控制处理单元输出的数字量和电流减半处理电路输出的开关量，经D/A转换后，向功放电路输出阶梯形的基准电流信号；
驱动器主回路，用以接收步进脉冲产生电路产生的电机步进脉冲电压信号、若干个D/A信号转换模块产生的步进电机所需的若干路阶梯电流信号，经功率放大后以完成驱动步进电机的作用。
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