CN104283470B - 一种压控电流源步进电机驱动装置 - Google Patents

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本发明公开一种压控电流源步进电机驱动装置，包括用于驱动步进电机的H桥控制单元，H桥控制单元的四个功率器件分别通过第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路与第四开关电路控制功率器件的通断；驱动装置还包括用于控制步进电机绕组电流的压控电流源电路，压控电流源电路包括运算放大器(N2)与达林顿管(Q9)，通过开关电路驱动H桥的MOS管，使H桥控制单元按序导通，实现对步进电机的转动方向的控制；通过压控电流源电路实现控制电压对流经步进电机绕组电流的控制，从而达到控制步进电机速度的目的，达林顿管工作在线性区，遏制了步进电机绕组的电压过冲现象及H桥驱动的直通现象，无需增加死区的时序控制及瞬态过压吸收电路，结构简单可靠性高。

Description

一种压控电流源 步进电机驱动装置
技术领域
本发明涉及电机驱动技术领域，具体是一种压控电流源步进电机驱动装置。
背景技术
公知的，步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。 目前采用H桥的电路形式对直流电机进行驱动是一种常见的方式，《H桥控制系统》（专利号：ZL200620014994.3）公开了一种电机速度与正反转的H桥控制系统，该系统采用MCU产生PWM信号对H桥电路进行控制，由于PWM信号的时序原因，H桥在工作时可能会出现单边直通现象，功率器件也存在过冲现象，因此需要增加死区的时序控制及瞬态电压吸收电路，来对功率器件进行保护，势必增加了电路的复杂程度，影响系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压控电流源步进电机驱动装置，该驱动装置结构简单可靠性高，能够避免电机绕组的电压过冲现象以及H桥的直通现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种压控电流源步进电机驱动装置，包括用于驱动步进电机的H桥控制单元，H桥控制单元包括位于高端的左上臂PMOS管与右上臂PMOS管，以及位于低端的左下臂NMOS管与右下臂NMOS管，左上臂PMOS管与右下臂NMOS管构成第一通路，右上臂PMOS管与左下臂NMOS管构成第二通路；所述左上臂PMOS管与右上臂PMOS管的栅极分别连接有控制PMOS管通断、结构相同的第一开关电路与第二开关电路，左下臂NMOS管与右下臂NMOS管的栅极分别连接有控制NMOS管通断、结构相同的第三开关电路与第四开关电路；所述驱动装置还包括用于控制步进电机绕组电流的压控电流源电路，压控电流源电路包括运算放大器与达林顿管，控制电压经电阻R31输入运算放大器的同向输入端，运算放大器的反向输入端经电阻R32连接达林顿管的发射极，运算放大器的输出端连接达林顿管的基极，达林顿管的集电极与H桥控制单元的低端相连，达林顿管的发射极通过电阻R34接地。
进一步的，所述第一开关电路包括电阻R9、三极管Q5、电阻R19与电阻R11，电阻R9的一端接收逻辑控制电压的输入信号，另一端连接三极管Q5的基极，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的集电极串联电阻R19后连接左上臂PMOS管的栅极，左上臂PMOS管的栅极还通过电阻R11连接电源Vcc。
进一步的，所述第三开关电路包括电阻R10、三极管Q7、电阻R23、电阻R12、电阻R27与二极管D1，电阻R10的一端接收逻辑控制电压的输入信号，另一端连接三极管Q7的基极，三极管Q7的发射极接地，三极管Q7的集电极连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端分别连接电阻R12与电阻R27，电阻R12的另一端分别连接左下臂NMOS管的栅极与稳压二极管D1的阳极，电阻R27的另一端连接电源Vcc，稳压二极管D1的阴极连接达林顿管的集电极。
进一步的，所述运算放大器采用OP77。
本发明的有益效果是，通过开关电路驱动H桥的MOS管，使H桥控制单元按照需要使第一通路与第二通路按序导通，实现对步进电机的转动方向的控制；通过压控电流源电路实现控制电压对流经步进电机绕组电流的控制，从而达到控制步进电机速度的目的，达林顿管工作在线性区，遏制了步进电机绕组的电压过冲现象及H桥驱动的直通现象，无需增加死区的时序控制及瞬态过压吸收电路，结构简单可靠性高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明实施例的电路示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种压控电流源步进电机驱动装置，包括用于驱动步进电机的H桥控制单元，H桥控制单元包括位于高端的左上臂PMOS管Q1与右上臂PMOS管Q2，以及位于低端的左下臂NMOS管Q3与右下臂NMOS管Q4，左上臂PMOS管Q1与右下臂NMOS管Q4构成驱动步进电机RL的第一通路，右上臂PMOS管Q2与左下臂NMOS管Q3构成驱动步进电机RL的第二通路；左上臂PMOS管Q1与右上臂PMOS管Q2的栅极分别连接有控制PMOS管通断、结构相同的第一开关电路1与第二开关电路2，左下臂NMOS管Q3与右下臂NMOS管Q4的栅极分别连接有控制NMOS管通断、结构相同的第三开关电路3与第四开关电路4；第一开关电路1包括电阻R9、三极管Q5、电阻R19与电阻R11，电阻R9的一端接收逻辑控制电压USR1的输入信号，另一端连接三极管Q5的基极，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的集电极串联电阻R19后连接左上臂PMOS管Q1的栅极，左上臂PMOS管Q1的栅极还通过电阻R11连接电源Vcc；第二开关电路2包括电阻R15、三极管Q6、电阻R20与电阻R13，电阻R15的一端接收逻辑控制电压USR2的输入信号，另一端连接三极管Q6的基极，三极管Q6的发射极接地，三极管Q6的集电极串联电阻R20后连接右上臂PMOS管Q2的栅极，右上臂PMOS管Q2的栅极还通过电阻R13连接电源Vcc；第三开关电路3包括电阻R10、三极管Q7、电阻R23、电阻R12、电阻R27与稳压二极管D1，电阻R10的一端接收逻辑控制电压USR1的输入信号，另一端连接三极管Q7的基极，三极管Q7的发射极接地，三极管Q7的集电极连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端分别连接电阻R12与电阻R27，电阻R12的另一端分别连接左下臂NMOS管Q3的栅极与稳压二极管D1的阳极，电阻R27的另一端连接电源Vcc，稳压二极管D1的阴极连接H桥控制单元的低端；第四开关电路4包括电阻R16、三极管Q8、电阻R24、电阻R14、电阻R28与稳压二极管D2，电阻R16的一端接收逻辑控制电压USR2的输入信号，另一端连接三极管Q8的基极，三极管Q8的发射极接地，三极管Q8的集电极连接电阻R24的一端，电阻R24的另一端分别连接电阻R14与电阻R28，电阻R14的另一端分别连接右下臂NMOS管Q4的栅极与稳压二极管D2的阳极，电阻R28的另一端连接电源Vcc，稳压二极管D2的阴极连接H桥控制单元的低端；所述驱动装置还包括用于控制步进电机绕组RL电流的压控电流源电路，压控电流源电路包括运算放大器N2与达林顿管Q9，运算放大器N2采用OP77，通过电源Vss供电，控制电压USR3经电阻R31输入运算放大器N2的同向输入端，运算放大器N2的反向输入端经电阻R32连接达林顿管Q9的发射极，运算放大器N2的输出端连接达林顿管Q9的基极，达林顿管Q9的集电极与H桥控制单元的低端相连，达林顿管Q9的发射极通过电阻R34接地。
工作时，逻辑控制电压USR1与USR2为方向相反的0～Vdd的方波信号，即USR1与USR2的相位差为90°，当USR1为“1”、USR2为“0”时，三极管Q5导通，电压V110为电源Vcc经电阻R11和电阻R19的分压，左上臂PMOS管Q1的VGS满足导通要求的开启电压，左上臂PMOS管Q1导通；同时，三极管Q7也导通，电压V109为电源Vcc经电阻R23和电阻R27的分压，左下臂NMOS管Q3的VGS不满足导通要求的开启电压，左下臂NMOS管Q3截止；三极管Q6截止，电压V114为电源Vcc，右上臂PMOS管Q2的VGS不满足导通要求的开启电压，右上臂PMOS管Q2截止；三极管Q8也为截止状态，电压V115为电源Vcc，经稳压二极管D2的稳压作用，使右下臂NMOS管Q4的VGS稳定在稳压二极管D2的额定值，满足导通要求的开启电压，右下臂NMOS管Q4导通，形成步进电机绕组RL由a到b的电流流向。同理，当USR1为“0”、USR2为“1”时，三极管Q5截止，电压V110为电源电压Vcc，左上臂PMOS管Q1的VGS不满足导通要求的开启电压，左上臂PMOS管Q1截止；同时三极管Q7也截止，电压V109为电源电压Vcc，经稳压二极管D1的稳压作用，使左下臂NMOS管Q3的VGS稳定在稳压二极管D1的额定值，满足导通要求的开启电压，左下臂NMOS管Q3导通；三极管Q6导通，电压V114为电源Vcc经电阻R13和电阻R20的分压，右上臂PMOS管Q2的VGS满足导通要求的开启电压，右上臂PMOS管Q2导通；同时三极管Q8也为导通状态，电压V115为电源Vcc经过电阻R14和电阻R28的分压，右下臂NMOS管Q4的VGS不满足导通要求的开启电压，右下臂NMOS管Q4截止，形成步进电机绕组RL由b到a的电流流向。所以当逻辑控制电压USR1 比USR2超前90°时，步进电机绕组RL的电流流向由a到b；当逻辑控制电压USR1 比USR2滞后90°时，步进电机绕组RL的电流流向由b到a，实现步进电机的正反转控制。由于运算放大器N2的虚通特性，控制电压USR3=V108，流过步进电机绕组RL的电流I= V108/R34= USR3/R34，电阻R34的阻值恒定时，流过步进电机绕组RL的电流I就由控制电压USR3控制；USR3为正弦波绝对值包络的电压控制信号，达林顿管Q9处于连续工作状态，流过步进电机绕组RL的电流为正弦波绝对值包络的电流信号，实现对步进电机的控制驱动。工作过程中，利用稳压二极管D1、D2的稳压特性，控制了NMOS管夹断电压的值，满足了器件使用的降额要求；通过开关电路驱动H桥的MOS管，使H桥控制单元按照需要使第一通路与第二通路按序导通，实现对步进电机的转动方向的控制；通过压控电流源电路实现控制电压对流经步进电机绕组电流的控制，从而达到控制步进电机速度的目的，达林顿管工作在线性区，遏制了步进电机绕组的电压过冲现象及H桥驱动的直通现象，无需增加死区的时序控制及瞬态过压吸收电路，结构简单可靠性高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种压控电流源步进电机驱动装置，包括用于驱动步进电机的H桥控制单元，H桥控制单元包括位于高端的左上臂PMOS管(Q1)与右上臂PMOS管(Q2)，以及位于低端的左下臂NMOS管(Q3)与右下臂NMOS管(Q4)，左上臂PMOS管(Q1)与右下臂NMOS管(Q4)构成第一通路，右上臂PMOS管(Q2)与左下臂NMOS管(Q3)构成第二通路，其特征在于，所述左上臂PMOS管(Q1)与右上臂PMOS管(Q2)的栅极分别连接有控制PMOS管通断、结构相同的第一开关电路(1)与第二开关电路(2)，左下臂NMOS管(Q3)与右下臂NMOS管(Q4)的栅极分别连接有控制NMOS管通断、结构相同的第三开关电路(3)与第四开关电路(4)；所述驱动装置还包括用于控制步进电机绕组电流的压控电流源电路，压控电流源电路包括运算放大器(N2)与达林顿管(Q9)，控制电压(USR3)经电阻R31输入运算放大器(N2)的同向输入端，运算放大器(N2)的反向输入端经电阻R32连接达林顿管(Q9)的发射极，运算放大器(N2)的输出端连接达林顿管(Q9)的基极，达林顿管(Q9)的集电极与H桥控制单元的低端相连，达林顿管(Q9)的发射极通过电阻R34接地；所述第一开关电路(1)包括电阻R9、三极管Q5、电阻R19与电阻R11，电阻R9的一端接收逻辑控制电压的输入信号，另一端连接三极管Q5的基极，三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的集电极串联电阻R19后连接左上臂PMOS管的栅极，左上臂PMOS管的栅极还通过电阻R11连接电源Vcc。
2.根据权利要求1所述的一种压控电流源步进电机驱动装置，其特征在于，所述第三开关电路(3)包括电阻R10、三极管Q7、电阻R23、电阻R12、电阻R27与稳压二极管D1，电阻R10的一端接收逻辑控制电压的输入信号，另一端连接三极管Q7的基极，三极管Q7的发射极接地，三极管Q7的集电极连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端分别连接电阻R12与电阻R27，电阻R12的另一端分别连接左下臂NMOS管的栅极与稳压二极管D1的阳极，电阻R27的另一端连接电源Vcc，稳压二极管D1的阴极连接达林顿管(Q9)的集电极。
3.根据权利要求1所述的一种压控电流源步进电机驱动装置，其特征在于，所述运算放大器采用OP77。
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