CN103840727A - 一种用于控制液体流量的智慧型电机驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明以单片步进电机控制器集成电路L297为控制核心，其内部集成了脉冲分配器、PWM斩波器以及输出逻辑控制单元等丰富模块，使系统控制更加方便简单。并且采用由晶体三极管和功率MOS管组成的分立式的功率驱动电路代替集成块电路，使系统成本降低，而且能够满足驱动宽电压、大电流的步进电机的要求，同时用电源变换集成电路QX3400为核心，设计的高频DC-DC变换电路解决了系统所需多路电源的需求，所以使得使用该控制方案的手持系统可以采用多种电源输入，并且实现了对步进电机定子绕组的全数字反馈控制功能，所有输入输出信号都经过了光电隔离作用，提高了控制器的抗干扰能力和运行的可靠性。使得本发明的电机驱动电路具有结构紧凑，体积小，使用灵活，控制精度高，适应性强的特点。

Description

一种用于控制液体流量的智慧型电机驱动电路

技术领域

本发明涉及一种电机控制装置，特别是一种全数字步进电机控制器的驱动电路。

背景技术

卫生防预系统现场快速检测系统由于取样量较小为了达到很高的精度对需检测的流量控制要求较高，特别是手持式由于受体积的限制，不能实现多电源大功率供电，对作为电子取液系统的电机控制电路要求就更高，目前市面上较多采用的隔膜泵方式还有直流电机驱动方式来提取液体样本，这些方式在微量取样时的控制电路过于复杂，而且对电源供电的精度要求较高。为此近期市面上开始出现采用同步电机驱动方式，因为步进电机的结构与直流电机、交流电机完全不同，使得步进电机的控制方式也完全不同于这两种电机。步进电机是以脉冲电压的形式对电机输入电流进行控制的，输入脉冲的数量与步进电机转子转过的角度严格成正比，输入脉冲的频率与步进电机的旋转速度成正比。正因为步进电机的上述特性，步进电机被广泛地应用在许多精密运动机构中，完成系统的精密位置控制功能。在负载没有超过电机额定负载的前提下，电机转子的转角与输入的脉冲数严格成比例，这个特性使得许多步进电机控制系统不用建立位置反馈环节，对电机实现开环控制，这就大大地减少了电机控制器的复杂程度，使得步进电机的应用范围进一步得到拓展。但是由于制造工艺的原因，为了实现对步进电机的控制，驱动电路都做的比较复杂，而且不能很好的实现对电流的反馈调节功能。且没有对电流变化的限制功能，没有通讯接口电路。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术的不足，满足小型化和高精度的要求，提出一种新的电机控制电路，实现了对步进电机定子绕组的全数字反馈控制功能，具有结构紧凑，体积小，使用灵活，控制精度高，适应性强的特点。

本发明的技术方案是：以单片步进电机控制器集成电路L297为控制核心，由于其内部集成了脉冲分配器、PWM斩波器以及输出逻辑控制单元等丰富模块，使系统控制更加方便简单。采用由晶体三极管和功率MOS管组成的分立式的功率驱动电路代替集成块电路，使系统成本降低，而且能够满足驱动宽电压、大电流的步进电机的要求。以多片单芯片电流型PWM控制器集成电路QX3400为核心，设计的高频DC-DC变换电路解决了系统所需多路电源的需求，由于QX3400具有很宽的输入电压范围，所以使得使用该控制方案的手持系统可以采用多种电源输入，包括干电池和一般的镍氢电池，降低了系统功耗，减小了电源电路的体积，并且降低了成本。

系统通过接收步进脉冲信号CP、方向信号DIR、脱机信号FREE以及工作方式选择信号MODE，通过光耦隔离输入给L297，然后按一定的规律进行分配并输出逻辑控制信号，再经过功率驱动电路进行放大后加到步进电机各相输入端，以驱动步进电机按指令运转。此外系统还具有相电流大小选择、半流锁定以及过流保护等功能。过程是，步进电机控制电路以L297通过内部集成的脉冲分配器产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：半步方式;基本步距，一相激励方式;基本步距，两相激励方式。脉冲分配器内部是一个3位可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期8拍格雷码时序信号，就是半步工作方式时的时序信号。而在基本步距工作方式时，则产生每周期4拍的时序信号。每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器和外接采样电阻组成，并设有一个通用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，而脉冲频率由外接的RC网络决定。L297的CONTROL端用来选择斩波信号的控制，将其置为低电平，以使斩波信号作用于INH1和INH2，而由A、B、C端来控制绕组的通断与极性。相绕组电流峰值由VREF端来决定。

恒流斩波控制技术是目前步进电机控制的主流技术，驱动方式采用PWM等方式，使相绕组电流无论在低频或高频段工作时都保持基本恒定。由于电机的电磁转矩只与电机相绕组电流相关，所以恒流斩波控制技术能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。同时，电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。该两相混合式步进电动机驱动器充分利用了L297的功能，采用恒流斩波驱动控制方法。通过采样电阻反馈相绕组电流值与设定的相绕组电流峰值相比较，产生驱动控制信号，使电源电压工作在开关状态，进而使绕组电流保持在设定值附近波动。由于电源电压并不是一直向绕组供电，而只是一个个窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积的积分，取自电源的能量大幅度下降，降低了发热量，具有较高的效率。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：实现了对步进电机定子绕组电流的数字化控制，并对两相电流信号实现反馈控制，大大提高了步进电机的运行特性，特别是低速和超低速运行时的特性；结构简单，调试工作很少；与上层控制单元的配合具有很强的适应性，并能独立承担高精度的位置控制工作，使产品整机体积小且实用性强；所有输入输出信号都经过了光电隔离作用，提高了控制器的抗干扰能力和运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明的同步电机控制系统原理框图；

图2为本发明的电源变换电路原理图。

具体实施方式

下面结合各图对本发明进行具体说明：

通过图1 的框图可以看到，步进电机驱动系统接收步进脉冲信号CP、方向信号DIR、脱机信号FREE以及工作方式选择信号MODE，通过光耦（3）隔离输入给步进电机控制电路（5），步进电机控制电路（5）采用的是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制芯片L297，步进电机控制电路（5）按一定的规律进行分配并输出逻辑控制信号，再经过功率驱动电路（7）和（8）进行放大后加到步进电机（9）各相输入端，以驱动步进电机（9）按指令运转。此外系统还设有相电流大小选择设定电路（2）、开关网络（1），半流锁定电路（4）以及过流保护电路（6），电源变换电路（10）等功能，步进电机控制电路（5）通过内部集成的脉冲分配器产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：半步方式;基本步距，一相激励方式;基本步距，两相激励方式。脉冲分配器内部是一个3位可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期8拍格雷码时序信号，就是半步工作方式时的时序信号。而在基本步距工作方式时，则产生每周期4拍的时序信号。同时本发明的步进电机控制电路（5）是由两个PWM斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制，已获得良好的转矩—频率特性。每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器和外接采样电阻组成，并设有一个通用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，而脉冲频率由外接的RC网络决定。步进电机控制电路（5）的CONTROL端用来选择斩波信号的控制，将其置为低电平，以使斩波信号作用于INH1和INH2，而由A、B、C、D端来控制绕组的通断与极性。相绕组电流峰值由VREF端来决定。本发明的步进电机控制采用的恒流斩波控制方案，驱动方式采用PWM等方式，使相绕组电流无论在低频或高频段工作时都保持基本恒定。由于电机（9）的电磁转矩只与电机相绕组电流相关，所以恒流斩波控制技术能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。同时，电机（9）的高频响应得以提高，共振现象减弱。该两相混合式步进电动机驱动器充分利用了步进电机控制电路（5）所用芯片L297的功能，采用恒流斩波驱动控制方法。通过采样电阻反馈相绕组电流值与设定的相绕组电流峰值相比较，产生驱动控制信号，使电源电压工作在开关状态，进而使绕组电流保持在设定值附近波动。由于电源电压并不是一直向绕组供电，而只是一个窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积的积分，取自电源的能量大幅度下降，降低了发热量，具有较高的效率。

图2为步进电机控制电路的电源变换电路（10）的原理图，图中所用Q1为深圳泉芯电子公司的单芯片电流型PWM控制器集成电路QX3400，该芯片是工作电压可以从0.9V-5.0V，同时使用1.4MHz的固定工作频率，这样整个电路的体积可以设计的比较小，另外可以简单的采用串并联的方式得到所需的工作电压，本发明设计的高频DC-DC变换电路就选用了2个芯片解决了系统所需多路电源的需求，图2中C1与C2并在电路上组成输入输出电源的滤波电路，电感L1接在Q1的1，6脚之间，R1与R2串联接在Q1的输出脚5上并形成一个分压电路给Q1三脚供电，由于QX3400具有很宽的输入电压范围，所以使得使用该控制方案的手持系统可以采用多种电源输入，包括干电池和一般的镍氢电池，降低了系统功耗，减小了电源电路的体积，并且降低了成本。

除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。例如，可以将L297改为L298,另外在光耦的选择上可以选用线性光耦合器PC817A或者非线性光耦合器2N25。

虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本实用新型的精神和范围内，还可对本发明做出种种改动和变动。

Claims (6)

1.一种用于控制液体流量的智慧型电机驱动电路，包括：光耦（3）、步进电机控制电路（5）、功率驱动电路（7）和（8）、步进电机（9）、相电流大小选择设定电路（2）、开关网络（1）、半流锁定电路（4）、过流保护电路（6）、电源变换电路（10）等电路组成，步进脉冲信号CP、方向信号DIR、脱机信号FREE以及工作方式选择信号MODE，通过光耦（3）隔离输入给步进电机控制电路（5），步进电机控制电路（5）通过内部集成的脉冲分配器产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：半步方式;基本步距，一相激励方式;基本步距，两相激励方式，脉冲分配器内部是一个3位可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期8拍格雷码时序信号，作为半步工作方式时的时序信号，在基本步距工作方式时，产生每周期4拍的时序信号，步进电机控制电路（5）是由两个PWM斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制，且每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器和外接采样电阻组成，并设有一个通用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，脉冲频率由外接的RC网络决定，步进电机控制电路（5）的CONTROL端用来选择斩波信号的控制，将其置为低电平，以使斩波信号作用于INH1和INH2，而由A、B、C端来控制绕组的通断与极性，相绕组电流峰值由VREF端来决定，步进电机控制采用的恒流斩波控制方案，驱动方式采用PWM等方式，使相绕组电流无论在低频或高频段工作时保持恒定，本步进电机控制电路（5）所用芯片L297采用恒流斩波驱动控制方法，通过采样电阻反馈相绕组电流值与设定的相绕组电流峰值相比较，产生驱动控制信号，使电源电压工作在开关状态，进而使绕组电流保持在设定值附近波动，电源变换电路（10）由Q1集成电路QX3400与C1、C2组成， C1与C2分别并在输入输出上，电感L1接在Q1的1，6脚之间，R1与R2串联接在Q1的输出脚5上并形成一个分压电路给Q1三脚。

2.如权利要求1所述一种用于控制液体流量的智慧型电机驱动电路，其特征在于，所述的步进电机控制电路（5）是由L298芯片组成的电路构成。

3.如权利要求1所述一种用于控制液体流量的智慧型电机驱动电路，其特征在于，所述光耦（3）为一种线性光耦合器。

4.如权利要求3所述一种用于控制液体流量的智慧型电机驱动电路，其特征在于，所述光耦（3）为PC817A。

5.如权利要求1所述一种用于控制液体流量的智慧型电机驱动电路，其特征在于，所述光耦（3）为非线性光耦合器。

6.如权利要求5所述一种用于控制液体流量的智慧型电机驱动电路，其特征在于，所述光耦（3）为4N25。

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