CN1101466A - 步进电机细分式驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种步进电机细分式驱动电路，由细分 控制电路和驱动电路组成，细分控制电路由可逆计数 器进行加减计数，计数值从ROM中变换出对应的 电流值，经D/A转换后作为驱动电路的电流给定 信号；驱动电路由它激式PWM电流闭环调节电路 和DC/DC转换器构成。本发明具有高斩波频率、 高细分精度、高效率、正反转控制方便等优点，可以对 不同相数、不同细分要求的反应式步进电机实施控 制，同时对具有公共节点的星形接法或独立相绕组引 线的步进电机均适用。

Description

本发明是一种步进电机驱动器电路，由细分控制电路、驱动电路构成，主要用于驱动反应式步进电机。

文献《可变细分式步进电机驱动电源》，申请号89202160.8，公开了一种可细分式步进电机驱动电源，其目的是实现步进电机可变细分，在这种电源中采用了无源电阻网络D/A转换产生阶梯波基准信号来控制功率级实现恒流斩波。其不足之处是：①D/A转换由无源电阻网络组成，细分数难以增加，且受电阻网络精度影响，细分精度低。②功率驱动部分采用桥式电路，仅适用于具有独立相绕组引线的步进电机，不适用于具有公共节点的星形接法的步进电机，通用性差。

文献《步进电机的驱动电路》发明专利申请公开说明书（申请号：90101131.2）公开的步进电机驱动电路，采用单片微处理器8031、EPROM2732和锁存器74LS373构成的最小系统使驱动电流按照软件设定的控制规律随输入控制信号fe变化，其主要目的是改善步进电机在各频段的响应特性。其不足之处在于①虽改善了步进电机频率响应特性，但在低频时随其驱动电流的变化，步进电机输出力矩将变小。②无细分功能。

上述二种方案的驱动电路，其电流控制均采用施密特触发器作闭环电流检测、自激振荡的斩波方式，而达到稳流目的。其缺点是相电流中存在较大的锯齿形电流纹波，恒流特性较差，不能用于细分度较高的步进电机驱动电路。本发明提供了一种具有较高精度细分功能的细分控制电路和频率响应宽、效率高、适用于驱动各种不同接线方式、不同相数的反应式步进电机的驱动电路，构成步进电机细分式驱动电路。

本发明的细分控制电路由可逆计数器（1）、与步进电机相数相等数量的存贮器ROM（6）、D/A转换器（7）组成。可逆计数器对步进电机正转控制脉冲信号fup计数或对步进电机反转控制脉冲信号fdn减计数，以控制步进电机正反转，存贮器ROM（6）按不同的细分度要求、不同的步进电机相数和不同的相绕组固化了相应的电流值序列，可逆计数器计数值作为存贮器ROM（6）的地址信号，存贮器ROM（6）的输出数字信号经D/A转换器（7）转化为模拟信号VA，VA作为驱动电路的电流给定信号，实现对步进电机电流的高精度控制，从而达到较高的细分精度。

本发明的驱动电路由步进电机相数相等数量的电流控制电路（2）和DC/DC转换器（3）构成，其中电流控制电路（2）由电流调节器（8）、电流取样电路（11）、脉冲宽度控制器（9）和功率驱动（10）组成，电流调节器（8）的给定信号为细分控制电路的输出模拟信号VA，电流取样电路（11）将步进电机驱动电流经取样放大后作为电流调节器（8）的反馈信号，电流调节器输出信号接至脉冲宽度控制器（9）进行脉冲宽度控制。

脉冲宽度控制器（9）采用了脉冲宽度控制（PWM）集成电路，其输出脉冲信号接至功率驱动（10），控制步进电机绕组电流跟随电流给定信号VA。

功率驱动电路（10）将步进电机（5）绕组中的电感贮能释放到电源V_DD，DC/DC转换器将此能量回馈至直流电源（4）的V_CC中。

本发明的解决方案可进一步对照以下附图加以说明。

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明电流控制电路（2）的原理框图。

图3是电流控制电路（2）的原理图。

图4是DC/DC转换器（3）的原理图。

图5是可逆计数器（1）的原理图。

图6是存贮器ROM（6）和D/A转换器（7）的原理图。

图3、图4、图5、图6构成本发明最佳实施方案。

各图中单元代号表示如下：1-可逆计数器;2-电流控制电路;3-DC/DC转换器;4-直流电源;5-步进电机;6-存贮器ROM;7-D/A转换器;8-电流调节器;9-脉冲宽度控制器;10-功率驱动;11-电流取样电路。

直流电源（4）和步进电机（5）不属于本发明。

图5所示可逆计数器（1）由3只4位二进制同步加减计数器74HC193（U₇、U₈、U₉）构成12位二进制可逆计数器，对脉冲控制信号fup加计数，控制步进电机正转，对脉冲控制信号fdn减计数，控制步进电机反转。

图6所示存贮器ROM（6）由EPROM2732构成，在存贮器ROM（6）的内存单元中固化有按不同的细分度要求、不同的步进电机相数和不同相序的电流值数据序列，存贮器ROM（6）的地址信号为图5所示可逆计数器（1）之输出值，存贮器ROM（6）的输出信号为对应于该地址的内存单元中的给定电流值数据，它作为D/A转换器（7）之输入数据信号。

D/A转换器（7）由D/A转换集成电路DAC0832（U₃）、运算放大器LM324（U_2C）、D₂和R₅构成，其中D₂和R₅产生D/A转换器集成电路U₃的电压基准，来自存贮器ROM（6）的输出数据（电流给定的数字信号）经D/A转换，产生相应的模拟电压信号VA，VA将作为电流调节器（8）的电流给定信号。

图3所示电流取样电路（11）由运算放大器LM324（U_2A）、取样电阻R₄、电阻R₆、R₇、R₈、电容C₄构成取样放大电路，其输出信号作为电流反馈信号接至电流调节器（8）之电阻R₅端。

电流调节器（8）由运算放大器LM324（U_2B）、电阻R₉、R₁₀、R₁₁、电容C₅构成PI调节器，VA为电流给定信号，其输出信号接至脉冲宽度控制器（9）进行脉冲宽度控制。

脉冲宽度控制器（9）由PWM集成电路TL494（U₁）、电容C₁、C₂、C₃、电阻R₁、R₂、R₃构成，其脉宽调制信号来自电流调节器（8）之端出端，并由C₁滤除高频干扰信号，接至TL494（U₁）第3端，C₅为U₁内部基准电压滤电容，R₁、C₃为U₁定时电路，确定脉冲宽度控制器（9）的振荡频率，其输出经R₂、R₃接至功率驱动（10），脉冲宽度控制器（9）输出脉冲的占空比随输入调制信号变化。

功率驱动（10）由场效应晶体管Q₁、二极管D₁构成，Q₁栅极受脉冲宽度控制器（9）控制，当Q₁栅极加高电平而导通时，V_CC经步进电机（5）之绕组、Q₁、电流取样电阻R4到地线构成第一回路，步进电机（5）之绕组电感电流增大（贮能增加）;当Q₁栅极加低电平时，Q₁截止，这时V_CC经步进电机（5）之绕组和D₁到V_DD构成第二回路，步进电机（5）绕组电感贮能向V_DD释放，绕组电流减小，V_DD能量增加电压升高，由于V_DD上接有图4所示DC/DC转换器（3），能把这部分能量经变换后回馈至电源V_CC上，故V_DD电压不会无限制升高，而是稳定在V_DD＝2V_CC上。

由于Q₁开关频率很高（可达到100KHZ以上），其工作周期远远小于步进电机（5）绕组电感的充放电时间常数，故绕组中电流纹波很小。同时由于取样电路（11）、电流调节器（8）、脉冲宽度控制器（9）组成闭环调节电路的控制，使步进电机（5）绕组电流能精确按比例跟随电流给定值VA，达到较高的动态和静态性能。

图4所示DC/DC转换器（3）由下列部分构成：

①由电感器L₁、L₂、电容器C₇、C₈、二极管D₃、场效应管Q₃构成极性反转升降压型直流变换主电路结构（DC/DC转换主电路），输入端为V_DD，输出端正极连接于V_CC上，输出负极连接于接地端。控制Q₂开关之占空比，即可控制输入端电流的大小，也就是说可控制V_DD中能量之回馈量，从而达到稳定V_DD电压之目的。

②运放U_5B、电阻R₁₇、R₁₈、R₁₉、电容器C₉构成比例一积分电压调节器，稳压管D₄作为电压调节器之输出限幅，电压调节的电压给定为-V_CC，电压反馈为V_DD，其输出作为电流调节器的电流给定信号。

③由运放U_5A、电阻R₂₀、R₂₁、电容器C₁₀构成积分电流调节器，其给定信号为电压调节器之输出信号，电流反馈信号来自电阻R₁₆、R₁₄、电容器C₆构成的电流取样电路。

④由集成开关控制器SG3525（U₆）、电阻R₂₂、R₁₂、R₂₃、电容器C₁₁、C₁₂构成脉宽控制电路，其输入信号为电流调节器之输出，输出脉冲占空比受电流调节器输出信号控制，输出脉冲去控制场效应管Q₂，实现DC/DC转换。

⑤由电流调节器、脉宽控制电路、直流变换主电路和电流取样电路构成电流控制环路，由于其位于电压控制环内，故称为电流内环。另外，电压调节器、电流调节器、脉宽控制电路、直流变换主电路和电压反馈电路构成电压控制环路，称为电压外环。其控制的最佳实施方案为电阻R₁₇的阻值等于电阻R₁₈的阻值，这时V_DD＝2V_CC。

本发明的优点是：

①细分精度高。由于采用它激型的电流控制电路及DC/DC转换器构成驱动电路主体，其斩波频率可高达100KHZ以上，步进电机绕组中电流纹波很小，故可以对绕组电流进行精确控制，达到较高的细分精度，同时在低频时消除了振荡现象。

②适当提高V_CC之电压值，可以提高步进电机的工作频率。

③通用性强。不同相数的步进电机只要配以与相数相同数量的存贮器ROM（6）、D/A转换器（7）和电流控制电路（2），并在各存贮器ROM中固化相应的驱动电流数据，即可对不同相数、不同细分要求的步进电机实施控制。同时对具有公共节点的星形接法或独立相绕组引线的步进电机均适用。

4.效率高。由于采用了PWM型电流控制电路，并由DC/DC转换器将步进电机绕组电感贮能回馈至电源输入端，固效率较高。

Claims (6)

1、一种步进电机细分式驱动电路，包括细分控制电路和驱动电路；细分控制电路由可逆计数器(1)、与步进电机相数相等数量的存贮器ROM(6)和D/A转换器(7)构成；其特征在于：可逆计数器(1)对步进电机正转控制脉冲信号fup加计数或对步进电机反转控制脉冲信号fdn减计数，其计数值作为存贮器ROM(6)的地址信号，存贮器ROM(6)的输出数据由D/A转换器(7)转换为模拟信号VA，VA作为驱动电路的电流给定信号，实现对步进电机的细分控制。

2、驱动电路由与步进电机相数相等数量的电流控制电路（2）和DC/DC转换器（3）组成;其特征在于：

a.电流控制电路（2）由电流调节器（3）、脉冲宽度控制器（9）、功率驱动（10）和电流取样电路（11）组成步进电机它激式脉宽调制（PWM）电流闭环控制电路;

b.功率驱动（10）将步进电机（5）绕组的电感贮能释放至电源V_DD，DC/DC转换器（3）将功率驱动（10）释放至电源V_DD的步进电机（5）绕阻的电感贮能回馈至直流电源（4）的V_CC。

3、根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于其功率驱动（10）由功率场效应管Q₁和二极管D₁组成。

4、根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于脉冲宽度控制器（9）采用了脉冲宽度控制集成电路。

5、根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于DC/DC转换器由电阻R₂₀、R₂₁，电容器C₁₀和运算放大器U_5A构成的电流调节器内环和由电阻R₁₇、R₁₈、R₁₉、电容器C₉、稳压二极管D₄、运算放大器U_5B构成的电压调节器外环组成电压、电流双闭环调节电路。

6、根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于DC/DC转换器（3）控制V_DD的电压值与V_CC的电压值之比为2∶1。

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