CN101753085B - 一种步进电机控制驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种步进电机控制驱动电路，其包括隔离电路(2)、低压控制电路(4)、高压控制电路(3)、微分电路(5)、高压驱动电路(6)、低压驱动及锁定电路(7)；本发明解决了现有步进电机功耗高的技术问题，本发明具有对控制器软件要求低、低功耗、驱动力矩大，可维持力矩平衡；对电源及驱动电路的散热要求降低、可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种步进电机控制驱动电路。
背景技术
现在广泛采用的步进电机驱动控制方法存在输出力矩大，但功耗高的缺点；还有的驱动控制方法的驱动性能高，但电路及控制软件复杂，造成整体可靠性能降低；为同时满足可靠性和大的输出力矩、低功耗的要求，需要研制一种步进电机驱动控制电路。反应式步进电机自身无自锁力矩，所以在转动过程和静止过程中都需要在绕组两端施加一定的电流，维持一定的力矩。尤其是静止过程中，绕组电流全部转化为热量散发，对电源及驱动电路的散热有较高的要求。如果步进电机采用电池供电，则步进电机静止时不但消耗能量，还影响系统的散热和使用寿命。
发明内容
本发明目的是提供一种步进电机控制驱动电路，其解决了现有步进电机功耗高的技术问题，
本发明的技术解决方案：
一种步进电机控制驱动电路，其特殊之处在于：
其包括隔离电路2、低压控制电路4、高压控制电路3、微分电路5、高压驱动电路6、低压驱动及锁定电路7；
所述隔离电路2包括光电耦合器D2；所述光电耦合器D2的输入信号高端接信号电源VCC，其输入信号低端接控制脉冲信号，其输出高端接低压控制电路4，其输出低端接高压控制电路3；
所述低压控制电路4包括第三三极管V4；所述第三三极管V4的基极接光电耦合器D2的输出高端，其发射极接高压电源VH，其集电极接低压驱动及锁定电路的输入端；
所述高压控制电路3包括第一三极管V5、第二三极管V6；所述第一三极管V5的基极接光电耦合器D2的输出低端，其集电极接高压电源VH，其发射极接驱动电源地；所述第二三极管V6的基极接第一三极管V5的集电极，其集电极接高压电源VH，其发射极接驱动电源地；
所述微分电路5包括微分电容C3*、充电电阻R10、第一二极管V7；所述微分电容C3*的一端接第二三极管V6的集电极，其另一端接第一二极管V7的正端，所述第一二极管V7的负端接高压驱动电路6的输入端；所述充电电阻R10的一端接第一二极管V7的正端，其另一端接驱动电源地；
所述高压驱动电路6包括第四三极管V8、PMOS管V1和力矩匹配电阻R1；所述第四三极管V8的基极接第一二极管的负端，其集电极接PMOS管V1的栅极，其发射极接驱动电源地；所述PMOS管V1的源极接高压电源VH，其漏极通过力矩匹配电阻R1接低压驱动及锁定电路；
所述低压驱动及锁定电路7包括驱动三极管V2、肖特基二极管V3；所述驱动三极管V2的基极接第三三极管V4的集电极，其集电极通过力矩匹配电阻R1接PMOS管V1的漏极，其发射极接步进电机绕组L；所述肖特基二极管V3的正端接低压电源VL，其负端接驱动三极管V2的集电极。
上述控制驱动电路包括整形滤波电路1，所述整形滤波电路1包括施密特触发反相器D1和端口保护电阻R2，所述施密特触发反相器D1的输入端接控制脉冲信号，其输出端接光电耦合器D2的输入信号低端；所述端口保护电阻R2的一端接施密特触发反相器D1的输入端，其另一端接地。
上述控制驱动电路包括与步进电机绕组L并联的保护电路8；所述保护电路8包括第二二极管V9和加速释放电阻RL。
上述第三三极管V4为PNP管；所述驱动三极管为达林顿管。
本发明所具有的有益效果：
1、本发明电路与控制器的脉冲控制电路组合成完整的步进电机控制系统，对控制器软件要求低。
2、电机运转时采用高压实现大输出力矩要求，静态锁紧时采用低压，实现低功耗大力矩锁紧，微分电路实现了驱动高电压和驱动低电压的无缝切换，驱动力矩大，可维持力矩平衡；对电源及驱动电路的散热要求降低。
3、可靠性高，适用于对可靠性要求高的反应式步进电机自动控制系统。
4、本发明也适用于对锁紧力矩有较大要求的混合式步进电机的驱动控制。
附图说明
图1为本发明超速保护电路电路的原理框图图；
图2为本发明超速保护电路电路的电路示意图；
图3为本发明控制信号、低压控制电路输出信号、微分电路输出信号以及电机绕组电压的对应关系图。
具体实施方式
本发明步进电机控制驱动电路，包括整形滤波电路1、隔离电路2、低压控制电路4、高压控制电路3、微分电路5、高压驱动电路6、低压驱动及锁定电路7、保护电路8；整形滤波电路1包括施密特触发反相器D1和端口保护电阻R2，施密特触发反相器D1的输入端接控制脉冲信号，其输出端接光电耦合器D2的输入信号低端；端口保护电阻R2的一端接施密特触发反相器D1的输入端，其另一端接地；隔离电路2包括光电耦合器D2；光电耦合器D2的输入信号高端接信号电源VCC；低压控制电路4包括第三三极管V4；第三三极管V4的基极接光电耦合器D2的输出高端，其发射极接高压电源VH；第三三极管V4具体可选择PNP管；高压控制电路3包括第一三极管V5、第二三极管V6；第一三极管V5的基极接光电耦合器D2的输出低端，其集电极接高压电源VH，其发射极接驱动电源地；第二三极管V6的基极接第一三极管V5的集电极，其集电极接高压电源VH，其发射极接驱动电源地；微分电路5包括微分电容C3*、充电电阻R10、第一二极管V7；微分电容C3*的一端接第二三极管V6的集电极，其另一端接第一二极管V7的正端，充电电阻R10的一端接第一二极管V7的正端，其另一端接驱动电源地；高压驱动电路6包括第四三极管V8、PMOS管V1和力矩匹配电阻R1；第四三极管V8的基极接第一二极管V7的负端，其集电极接PMOS管V1的栅极，其发射极接驱动电源地；PMOS管V1的源极接高压电源VH；低压驱动及锁定电路7包括驱动三极管V2、肖特基二极管V3；驱动三极管V2的基极接第三三极管V4的集电极，其集电极通过力矩匹配电阻R1接PMOS管V1的漏极，其发射极接步进电机绕组L；肖特基二极管V3的正端接低压电源VL，其负端接驱动三极管V2的集电极；驱动三极管V2还可选择达林顿管；保护电路8与步进电机绕组L并联，包括第二二极管V9和加速释放电阻RL。
本发明工作原理：脉冲控制电路产生的脉冲控制信号经隔离电路变换，同时产生两路控制信号，其中低压控制信号与控制脉冲信号同步，控制步进电机绕组工作；高压控制信号控制微分电路工作，微分电路用于产生精确的定时脉冲，其输出信号与控制脉冲同步但脉冲宽度不同，此高压控制信号控制高压驱动电路的P沟道MOS管的通断。当脉冲控制信号有效时，隔离输出的高压控制信号和低压控制信号均有效，此时电机绕组高压工作，电机电流瞬间建立，保证电机输出力矩大；当电机绕组电流达到设定的要求时，微分控制电路输出信号置低，高压驱动电路截止，同时低压驱动及锁定电路自动连接至电机绕组工作，维持电机绕组电流，此时电路的功耗仅为驱动三极管V2的功耗。当调整微分电路参数或者步进电机工作频率使输入信号脉冲宽度小于微分电路充放电时间时，微分电路在电机运转过程中不起作用，电机为高压运转控制状态，如图3中的d、e、f波形；当电机处于静态锁定状态时自动切换为低电压锁紧状态，为低功耗状态。
根据电机输出力矩要求，可对微分电路参数进行调整，以改变电机驱动的高低压驱动状态，当步进电机工作频率较高，使控制脉冲脉宽小于微分电路控制时间时，微分电路使低压驱动在电机运转过程中不起作用；当电机停止运转时，微分电路控制电机为低压锁紧的低功耗状态。当微分电路控制时间低于电机控制信号脉宽时，电机绕组工作瞬间为高压驱动，保证很快达到输出力矩所需驱动电流，当电流达到力矩要求时，驱动电压转换为低压驱动，维持驱动电流达到力矩要求，如图3中a、b波形。
本发明工作过程：
电机运转控制信号为脉冲信号，高电平有效，信号频率依电机运转速率要求确定。
控制信号经施密特触发反相器后变为低电平，同时施密特触发反相器对信号进行整形滤波，此时光耦输出端导通，则第三三极管V4导通，即低压控制信号为高(有效状态)，控制驱动三极管V2导通；光耦的导通同时使第一三极管V5导通，第一三极管V5的集电极为低电位，使第二三极管V6截止，微分电路中的电容C3*开始充电，微分控制信号为高电平，微分控制信号(有效状态)经第一二极管V7后，输出至第四三极管V8，第四三极管V8导通时，高压控制电路工作，PMOS管V1导通，此时高压、低压控制信号均有效，肖特基二极管V3对低压进行截止，电机绕组L通高电压。随着光耦D2的导通，微分电路输出信号逐渐降低，当低于第一二极管V7的导通电压时，微分控制信号为低电位，第四三极管V8截止，PMOS管V1截止，高压控制电路不工作，低压通过肖特基二极管V3连接到电机绕组L，维持电机绕组电流，此时电路功耗仅为肖特基二极管V3、第三三极管V4的功耗，肖特基二极管V3自身功耗很低。
控制信号(L)为低电平时，经施密特触发反相器后变为高电平，此时光耦输出端截止，第三三极管V4、第一三极管V5均不导通导通，微分电路电容C3*放电，驱动三极管V2、PMOS管V1均不导通，电机绕组不通电。
根据电机驱动缸电流，可选择PMOS管V1、驱动三极管V2，使驱动电流在0.5～10A间设置。当驱动电流要求较大时，驱动三极管V2应选择达林顿管，并保证其工作在饱和导通状态。
Claims (4)
1.一种步进电机控制驱动电路，其特征在于：
其包括隔离电路(2)、低压控制电路(4)、高压控制电路(3)、微分电路(5)、高压驱动电路(6)、低压驱动及锁定电路(7)；
所述隔离电路(2)包括光电耦合器(D2)；所述光电耦合器(D2)的输入信号高端接信号电源(VCC)，其输入信号低端接控制脉冲信号，其输出高端接低压控制电路(4)，其输出低端接高压控制电路(3)；
所述低压控制电路(4)包括第三三极管(V4)；所述第三三极管(V4)的基极接光电耦合器(D2)的输出高端，其发射极接高压电源(VH)，其集电极接低压驱动及锁定电路的输入端；
所述高压控制电路(3)包括第一三极管(V5)、第二三极管(V6)；所述第一三极管(V5)的基极接光电耦合器(D2)的输出低端，其集电极接高压电源(VH)，其发射极接驱动电源地；所述第二三极管(V6)的基极接第一三极管(V5)的集电极，其集电极接高压电源(VH)，其发射极接驱动电源地；
所述微分电路(5)包括微分电容(C3*)、充电电阻(R10)、第一二极管(V7)；所述微分电容(C3*)的一端接第二三极管(V6)的集电极，其另一端接第一二极管(V7)的正端，所述第一二极管(V7)的负端接高压驱动电路(6)的输入端；所述充电电阻(R10)的一端接第一二极管(V7)的正端，其另一端接驱动电源地；
所述高压驱动电路(6)包括第四三极管(V8)、PMOS管(V1)和力矩匹配电阻(R1)；所述第四三极管(V8)的基极接第一二极管的负端，其集电极接PMOS管(V1)的栅极，其发射极接驱动电源地；所述PMOS管(V1)的源极接高压电源(VH)，其漏极通过力矩匹配电阻(R1)接低压驱动及锁定电路；
所述低压驱动及锁定电路(7)包括驱动三极管(V2)、肖特基二极管(V3)；所述驱动三极管(V2)的基极接第三三极管(V4)的集电极，其集电极通过力矩匹配电阻(R)1接PMOS管(V1)的漏极，其发射极接步进电机绕组(L)；所述肖特基二极管(V3)的正端接低压电源(VL)，其负端接驱动三极管(V2)的集电极。
2.根据权利要求1所述的步进电机控制驱动电路，其特征在于：所述控制驱动电路包括整形滤波电路(1)，所述整形滤波电路(1)包括施密特触发反相器(D1)和端口保护电阻(R2)，所述施密特触发反相器(D1)的输入端接控制脉冲信号，其输出端接光电耦合器(D2)的输入信号低端；所述端口保护电阻(R2)的一端接施密特触发反相器(D1)的输入端，其另一端接地。
3.根据权利要求1或2所述的步进电机控制驱动电路，其特征在于：所述控制驱动电路包括与步进电机绕组(L)并联的保护电路(8)；所述保护电路(8)包括第二二极管(V9)和加速释放电阻(RL)。
4.根据权利要求3所述的步进电机控制驱动电路，其特征在于：所述第三三极管(V4)为PNP管；所述驱动三极管为达林顿管。
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