CN201490955U - 一种两相步进驱动器 - Google Patents

Abstract

一种两相步进驱动器，包括主控芯片电路、双H桥驱动电路、D/A转换电路、电流采样电路，以及双H桥MOSFET电路，设有由两级运算放大器级联组成的电流比例积分调节电路、带有三角波生成电路的PWM信号生成电路。PWM信号生成电路是PWM频率为电机电流变化频率1/2、且在续流阶段采用同步整流技术的PWM信号生成电路。将单极倍频、同步整流技术应用在两相步进电机驱动器上，进一步降低了电流纹波和驱动器发热，使得步进电机发热量小，振动小，噪声小，且效率高；电流比例积分调节电路采用单电源技术，明显简化了运算放大器电路及电源电路，可以针对不同负载特性通过调整参数得到不同的电流跟踪特性，还可以获得较小的电流纹波。

Description

一种两相步进驱动器

技术领域

本实用新型涉及电机驱动器，特别是涉及一种两相步进驱动器。

背景技术

现有的两相步进电机驱动器一般采用恒流斩波方式保证步进电机的驱动电流。在设定的斩波频率下，用电流反馈和电流给定直接经比较器比较控制电流的比较方法，简单易行，但因其属于电流快衰减模式，在电机绕组电流大于给定值时，相应H桥的所有开关管都关断，电流从地沿下管的反并联二极管到绕组，再沿对角的上管到电源续流，步进电机的发热量大，振动比较大，噪声也比较大，且效率低。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出一种电流比例积分调节式两相步进驱动器。

本实用新型的技术问题采用以下技术方案予以解决：

这种两相步进驱动器，包括主控芯片电路、双H桥驱动电路、分别与主控芯片电路连接的D/A转换电路和电流采样电路，以及分别与双H桥驱动电路和电流采样电路输入端连接的双H桥MOSFET电路。

这种两相步进驱动器的特点是：

设有由两级运算放大器级联组成的电流比例积分调节电路，其第一级运算放大器的两个输入端分别与D/A转换电路的两相电流基准信号输出端连接，其第二级运算放大器的两个输入端分别与电流采样电路的两相采样电流信号输出端连接。所述电流比例积分电流调节电路先将两相采样电流信号进行一级放大和滤波，然后与给定电流进行求差运算，输出电流误差信号至PWM信号生成电路，并针对不同负载特性和要求按照设定的比例和积分调整电流的跟踪特性。既保证电机绕组电流与给定电流的一致，还可以获得较小的电流纹波，并减小振动和噪声。

还设有带有三角波生成电路的PWM信号生成电路，所述PWM信号生成电路是PWM频率为电机电流变化频率1/2、且在续流阶段采用同步整流技术的PWM信号生成电路，所述PWM信号生成电路的输入端分别与三角波生成电路的输出端和电流比例积分调节电路的输出端连接，所述PWM信号生成电路的输出端与双H桥驱动电路的输入端连接，所述PWM信号生成电路的H桥左臂PWM信号由电流比例积分电流调节电路输出的电流误差信号，直接与三角波生成电路生成的三角波比较生成，H桥右臂PWM信号由电流比例积分电流调节电路输出的电流误差信号与三角波生成电路的生三角波叠加后再与REFGND信号比较生成。所述PWM信号生成电路生成的PWM信号符合单极倍频技术的控制要求，使得电机电流变化频率为PWM频率的2倍，有效降低了电流纹波和功率器件的开关损耗；在充电过程中的续流期间是电流慢衰减模式，可以进一步降低电流纹波；在续流期间还通过同步整流技术降低续流回路的损耗。

本实用新型的技术问题采用以下进一步的技术方案予以解决：

所述电流比例积分调节电路中的所有运算放大器是由单电源供电且参考公共地为电源电压的1/2的运算放大器。即采用单电源技术，在电流反馈信号的前级调理和比例积分调节过程中，所有运算放大器都是工作在单电源下，且REFGND信号用电源电压的1/2模拟正负双电源系统中的公共地。明显简化了运算放大器电路及电源电路，降低了成本，否则，就必须采用正负双电源。

所述电流采样电路的两个采样电阻分别直接串接在两相步进电机的绕组中，分别通过运算放大器得到完整的两相步进电机绕组电流采样信号，所述完整的两相步进电机绕组电流采样信号是两相步进电机绕组中的正向充电电流、反向充电电流和续流电流。

本实用新型与现有技术对比的有益效果是：

本实用新型属于电流慢衰减模式，采用PWM信号生成电路将单极倍频、同步整流技术应用在两相步进电机驱动器上，进一步降低了电流纹波和驱动器发热，使得步进电机发热量小，振动小，噪声小，且效率高；与PWM信号生成电路配用的电流比例积分调节电路，采用单电源技术，使运算放大器电路及电源电路得到了很大简化，既可以针对不同负载特性通过调整参数得到不同的电流跟踪特性，还可以获得较小的电流纹波；采用将两个采样电阻分别直接串接在两相步进电机的绕组中的运算放大器芯片的电流采样电路，可以得到完整的两相步进电机绕组电流反馈信号，包括两相步进电机绕组中的正反向充电电流和续流电流。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式的电路组成方框图；

图2是图1中主控芯片电路1的电路图；

图3是图1中D/A转换电路2的电路图；

图4是图1中比例积分调节电路3的电路图；

图5是图1中PWM信号生成电路4的电路图；

图6是图1中三角波生成电路5的电路图；

图7是图1中双H桥驱动电路6的电路图；

图8是图1中双H桥MOSFET电路7的电路图；

图9是图1中电流采样电路8的电路图；

图10是是本实用新型具体实施方式的波形示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式并对照附图对本实用新型作进一步说明。

一种如图1～10所示的两相步进驱动器，包括主控芯片电路1、双H桥驱动电路6、分别与主控芯片电路1连接的电流细分设定电路、D/A转换电路2、电流采样电路8和异常保护电路、分别与双H桥驱动电路6、电流采样电路8的两相采样电流信号输入端和异常保护电路连接的双H桥MOSFET电路7，以及与D/A转换电路2连接的电流设定电路。

电流采样电路8是分别将流经串接在双H桥MOSFET电路7输出端的两相电机绕组中的采样电阻R1、R2的电流，通过运算放大器N9得到完整的两相采样电流信号即两相电机绕组电流反馈信号VAS、VBS输出至比例积分调节电路3的另一组两输入端。

设有级联的电流比例积分调节电路3和带有三角波生成电路5的PWM信号生成电路4，电流比例积分调节电路3的一组两输入端分别与D/A转换电路2的两相电流基准信号输出端连接，另一组两输入端分别与电流采样电路8的两相采样电流信号输出端连接，PWM信号生成电路4的输出端与双H桥驱动电路6的输入端连接。

电流比例积分调节电路3中的运算放大器N10B、N10C、N10A、N10D是单电源供电且参考公共地为电源电压的1/2的运算放大器。即采用单电源技术，在电流反馈信号的前级调理和比例积分调节过程中，所有运算放大器都是工作在单电源下，且REFGND信号用电源电压的1/2模拟正负双电源系统中的公共地，明显简化运算放大器电路及电源电路。

两相采样电流信号即两相电机绕组电流反馈信号VAS、VBS分别经比例积分调节电路3的运算放大器N10B、N10C一级放大和滤波得到VASO、VBSO，然后VASO、VBSO分别经运算放大器N10A、N10D与给定电流REFA、REFB进行比例积分调节和求差运算，可变电阻R61和R81分别用来消除运算放大器N10A、和N10D运放失调。电流比例积分调节电路3输出的两相电机绕组电流误差信号UeA、UeB送至PWM频率为电机绕组电流变化频率1/2、且在续流阶段采用同步整流技术的PWM信号生成电路4。

电流比例积分调节电路3输出的两相电流误差信号UeA、UeB送至PWM信号生成电路4，三角波生成电路5产生的三角波VSW也送至PWM信号生成电路4，两相电流误差信号UeA和UeB与三角波VSW分别经运算放大器N11A、N11C直接比较，生成双H桥驱动电路6左桥臂的PWM输入信号LAIN、LBIN，两相电流误差信号UeA、UeB还与三角波VSW分别叠加后经运算放大器N11B、N11D与REFGND信号比较，生成双H桥驱动电路6的右桥臂PWM输入信号RAIN、RBIN。PWM输入信号LAIN、LBIN和RAIN、RBIN经过双H桥驱动电路6处理的输出是八路驱动信号，即双H桥MOSFET电路7的MOSFET栅极信号LAH、LAL、RAH、RAL、LBH、LBL、RBH和RBL。所述八路驱动信号即栅极信号LAH、LAL、RAH、RAL、LBH、LBL、RBH和RBL的逻辑关系是由PWM信号生成电路4和双H桥驱动电路6所决定的。

在八路驱动信号的分别驱动下，双H桥MOSFET电路7的输出为单极倍频，即在一路驱动信号的一个周期内充电电流IA的变化是两个周期，而电流绕组中电流始终是一个方向，使得电机电流变化频率为PWM频率的2倍，有效降低了电流纹波和功率器件的开关损耗；而且在充电过程中的续流期间是电流慢衰减模式，在电机绕组电流大于给定电流时，电流经如图8上半部的路径1和路径3或其反方向进行续流，同步整流进一步降低了电流纹波和续流回路的损耗。

仅以A相步进电机绕组A正向充电为例对单极倍频和同步整流进行如下说明：

电机绕组A按图10中第一个时段2波形沿双H桥MOSFET电路7中A相H桥路径2正向充电，充电电流IA增大如图10中所示；然后按A相H桥路径3续流，充电电流IA减小，此时场效应管V20导通，因MOSFET的导通电阻很小，充电电流IA经场效应管V20的S极流向D极而不经过场效应管V20的寄生二极管；接着在第二个时段2沿A相H桥路径2正向充电，充电电流IA增大；然后在第二个时段1按A相H桥路径1续流，充电电流IA减小，充电电流IA经场效应管V17的S极流向D极而不经过场效应管V17的寄生二极管。在这个双H桥驱动电路6输出的一路A相驱动信号即栅极信号LAH的一个周期内充电电流IA的变化是两个周期，而电流绕组中电流始终是一个方向，即实现了单极倍频，使得电机电流变化频率为PWM频率的2倍。而沿A相H桥路径1、3的续流是同步整流。

本具体实施方式的工作过程如下：

本具体实施方式的两相步进驱动器的主控芯片电路1，其主控芯片采用单片机，分别接收外部信号源一控制卡、PLC或其它类似控制器提供的脉冲(PUL)和方向(DIR)信号、使能EN信号，以及通过拨码开关设定的电流档和细分档信号：REFCURRENT和MS0～MS3，输出相应的两相电流基准数据D0～D7到D/A转换电路2，D/A转换电路2再输出正弦/余弦两相电流基准信号REFA和REFB到比例积分调节电路3。双H桥MOSFET电路7的电流反馈信号经电流采样电路8与D/A转换电路2输出的两相电流基准信号REFA和REFB一同送到比例积分调节电路3，电流比例积分调节电路3输出的两相电流误差信号UeA、UeB送至PWM信号生成电路4，三角波生成电路5产生的三角波VSW也送至PWM信号生成电路4，两相电流误差信号UeA和UeB与三角波VSW分别经运算放大器N11A和N11C直接比较，生成双H桥驱动电路6左臂PWM信号LAIN和LBIN，两相电流误差信号UeA和UeB还与三角波VSW分别叠加后经运算放大器N11B和N11D与REFGND信号比较，生成双H桥驱动电路6右桥臂PWM信号RAIN和RBIN，双H桥驱动电路6输出的八路驱动信号LAH、LAL、RAH、RAL、LBH、LBL、RBH和RBL，去控制双H桥MOSFET电路7分别供给两相步进电机相应的电流，驱动两相步进电机旋转。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种两相步进驱动器，包括主控芯片电路、双H桥驱动电路、分别与主控芯片电路连接的D/A转换电路和电流采样电路，以及分别与双H桥驱动电路和电流采样电路输入端连接的双H桥MOSFET电路，其特征在于：

设有由两级运算放大器级联组成的电流比例积分调节电路，其第一级运算放大器的两个输入端分别与D/A转换电路的两相电流基准信号输出端连接，其第二级运算放大器的两个输入端分别与电流采样电路的两相采样电流信号输出端连接；

还设有带有三角波生成电路的PWM信号生成电路，所述PWM信号生成电路是PWM频率为电机电流变化频率1/2、且在续流阶段采用同步整流技术的PWM信号生成电路，所述PWM信号生成电路的输入端分别与三角波生成电路的输出端和电流比例积分调节电路的输出端连接，所述PWM信号生成电路的输出端与双H桥驱动电路的输入端连接。

2.如权利要求1所述的两相步进驱动器，其特征在于：

所述电流比例积分调节电路中的所有运算放大器是由单电源供电且参考公共地为电源电压的1/2的运算放大器。

3.如权利要求1或2所述的两相步进驱动器，其特征在于：

所述电流采样电路的两个采样电阻分别直接串接在两相步进电机的绕组中，分别通过运算放大器得到完整的两相步进电机绕组电流采样信号，所述完整的两相步进电机绕组电流采样信号是两相步进电机绕组中的正向充电电流、反向充电电流和续流电流。

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