CN202150824U

CN202150824U - 一种混合式步进电机驱动装置

Info

Publication number: CN202150824U
Application number: CN201120283302U
Authority: CN
Inventors: 李军科
Original assignee: 李军科
Current assignee: Changzhou Hetai electrical Limited by Share Ltd
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2021-08-05

Abstract

本实用新型公开一种混合式步进电机驱动装置，包括中央控制单元及分别与之连接的电源电路、细分与电流控制电路、光耦隔离电路、报错显示电路、过压过流保护电路、H桥驱动电路、电流反馈比较电路，还包括分别与电流反馈比较电路、H桥驱动电路连接的两相步进电机。此种驱动装置可以实现最大256细分驱动，显著改善低速时电机的噪声与高速易失步缺点，性能可靠。

Description

一种混合式步进电机驱动装置

技术领域

本实用新型属于步进电动机技术领域，特别涉及一种高细分、低噪声、高集成度的步进电机驱动装置。

背景技术

步进电机是一种作为控制用的特种电机，是把数字量转化为角位移的电气传动器件，它的运转与控制脉冲同步，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。步进电机由于高精度的定位控制、位置及速度控制简便、步距误差无累积等优点，在低负载、低速度的工业控制中应用十分广泛。它被广泛运用于数控机床、自动化生产线、工业仪器仪表、计算机设备等领域中，成为不可或缺的重要电机组件。

但是，步进电机的运行不能由普通的交直流电源供电，需要专用的驱动设备，所以步进电机的性能在很大程度上取决于其驱动系统性能的优劣。目前市场上的步进电机驱动器大多是由单片机和分立元件组成，系统集成度低，抗干扰能力差，步距角分辨率不高，导致步进电机定位精度不高，存在失步和振荡两个问题，制约了步进电机的应用。对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。

步进电机细分驱动技术是20世纪70年代中期发展起来的，它是一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的20多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。

步进电机驱动器作为一种电力电子器件，对它的控制实时性要求很高，因此微处理器的高速发展，是推动步进电机驱动器发展的一个重要因素。基于单片机实现步进电机控制是目前的一种重要手段。步进电机本身就是离散型自动化执行元件，所以它特别适合采用单片机及嵌入式系统控制。同专用相比，单片机有更大的灵活性，更易实现复杂的控制策略。随着微处理器技术的飞速发展以及单片机性价比的提高，利用单片机实现步进电机控制己经非常普遍。

但是，单片机受计算速度与精度局限，当采用细分控制时，细分数不能达到很高，低频下噪声大，电机易抖动，正常运行下温升也大。另外，为弥补单片机运算速度劣势，通常采用模拟运算放大器构成的调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象的变化适应能力差。

基于以上分析，本设计人针对现有的步进电机驱动装置进行研究改善，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种混合式步进电机驱动装置，此种驱动装置可以实现最大256细分驱动，显著改善低速时电机的噪声与高速易失步缺点，性能可靠。

为解决以上技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种混合式步进电机驱动装置，包括中央控制单元及分别与之连接的电源电路、细分与电流控制电路、光耦隔离电路、报错显示电路、过压过流保护电路、H桥驱动电路、电流反馈比较电路，还包括分别与电流反馈比较电路、H桥驱动电路连接的两相步进电机。

上述H桥驱动电路采用IR2101半桥驱动芯片和IRF540开关管。

上述电流反馈比较电路采用TL374作为比较器。

上述过压过流保护电路采用LM339四运放比较器。

采用上述方案后，本实用新型通过采用高性能细分步进马达芯片作为控制器，用户可以采用尽可能少的分立元件实现简单高效的马达控制，并且可以在电机运行的任何时刻改变步进电机的运行状态，克服以往采用单片机或分立元件时电机在低速噪声大，高速易失步缺点；

另外，结合外部驱动电路、过电压、过电流，给电机驱动系统提供了安全可靠的性能保护。

由此，本实用新型具有以下有益效果：

1)、本实用新型采用超大规模的硬件集成电路，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，克服了采用模拟器件构成的控制电路集成度不高、硬件设计复杂可靠性低、可重复性差的缺点；

2)、本实用新型可以实现高达256细分两相或四相混合式步进电机驱动，这是市场上步进电机驱动芯片最大64细分方案无法比拟的，高细分带来了电机更小的低速噪声和更高的控制精度；

3)、采用本实用新型所提供的方案，开发者只需要根据项目集成需要，增加相关的外围电路就可完成高精度的电机驱动，相对于基于单片机、DSP、CPLD/FPGA的驱动方案，用户可以根据自身需要方便快捷地完成电机高效驱动。

附图说明

图1是本实用新型的整体架构示意图；

图2是本实用新型中电源电路的实例图；

图3是本实用新型中H桥驱动电路的实例图；

图4是本实用新型中细分与电流控制电路的实例图；

图5是本实用新型中中央控制单元的实例图；

图6是本实用新型中光耦隔离电路的实例图；

图7是本实用新型中过压过流保护电路的实例图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供一种混合式步进电机驱动装置，包括中央控制单元及分别与之连接的电源电路、细分与电流控制电路、光耦隔离电路、报错显示电路、过压过流保护电路、H桥驱动电路、电流反馈比较电路，还包括分别与电流反馈比较电路、H桥驱动电路连接的两相步进电机。

如图2所示，是本实用新型中电源电路的实例图，整个系统+24V-+50V直流电源输入，以3843为主控芯片的开关电源电路输出+12V电压供半桥驱动芯片IR2101，78L05稳压芯片产生+5V电源供主控芯片与模拟部分电路。整个系统具有+24V-+90V、+12V、+5V三种工作电压。

如图3所示，是本实用新型中H桥驱动电路的实例图，功率驱动电路中半桥驱动芯片采用IR2101，IGBT开关管采用IRF540。IR2101的高压与低压控制信号输入管脚HIN、LIN接连接图5所示的主控芯片的A/B相全桥信号输出(HLB/LLB，LRB/HRB，HLA/LLA，LRA/HRA)。B相电流采样信号通过H桥功率驱动电路的直流母线接2个小电阻R75、R76并联实现。A相电流采样方法与B相相同。自举电容C40、C41采用10uf电解电容。

如图4所示，是本实用新型中细分与电流控制电路的实例图，其是用8位拨码开关作细分与电流设置，按照protel99se原理图的网络标识来描述连接关系，其中，通过网络标识p_adjust、p_sl、p_ca电气连接实现电流与细分控制。TC1002的细分档管脚MSEL0，MSEL1，MSEL2，MSEL3提供了多达14种不同的细分选择。细分档设置：2、4、6、8、16、32、64、128、256；5、10、25、50、125、250。最大为256细分。拨码开关另外3位调整电阻网络P CA状态，从而改变可调线性稳压电源U9(LM317)输出P_Adjust值。另外，改变拨码开关其中一位P_SL高低电平，可以使U9的输出在全电流与半电流工作模式下切换。

如图5所示，是本实用新型中中央控制单元的实例图，主控芯片采用TC1002(44脚)步进电机驱动芯片，其中4、5、6、7与23、24、25、26两组共8个管脚输出8路SPWM信号给图3半桥驱动芯片(共四片，图3只画出B相H桥2片)。每个半桥驱动芯片IR2101需要两个独立的高低压驱动信号。27、28、29、30作为细分选择管脚与图4拨码开关4位连接，设置细分数在2-256共14种细分之间切换。37、38、39三个管脚与图6中脉冲、方向、使能信号通道光藕隔输出连接，并在芯片内部完成施密特波形规整。22、8脚作为过电流保护信号输入管脚实现对图3功率桥直流母线电流检测监视。16、20脚接两路正弦DAC信号输出，经LM358处理后转为电压正弦、余弦信号，幅度由图4中电流设置输出P_Adjust改变。17、19脚A、B相电流参考信号与图3功率驱动电路中直流母线上电流采样电阻检测信号经TL374比较后输出连接TC1002的A相、B相电流输入控制信号(9脚、21脚)。

如图6所示，是本实用新型中光耦隔离电路的实例图，按照protel99se原理图的网络标识来描述连接关系，实现外部输入的方向DIR、脉冲PULL、使能ENA信号隔离，外部输入指令(PULL+、PULL-)、方向(DIR+、DIR-)、使能信号(ENA+、ENA-)通过两片光耦隔离芯片6N137(U1、U2)、1片TL521(U3)隔离输出DIR、PULL、ENA，并分别连接主控芯片的输入逻辑。光耦输入端限流电阻分别用470欧姆与270欧姆。

如图7所示，是本实用新型中过压过流保护电路的实例图，按照protel99se原理图的网络标识来描述连接关系，有过电压保护major_ovv、过电流保护OVCA信号给主芯片TC1002，TC1002则输出故障信号major_fault，提供指示灯报警电路；其中主控制单元提供了故障输出信号(40脚)，并通过U5A、U5B(LM339芯片)提供指示灯报警。系统外部输入电源电压信号(24-50V)经LM339比较器与参考电压比较后输出Major_OVV连接至主控单元过电压输入管脚(32脚)，主控单元A相电流反馈信号与设定电流参考值VrefA比较，比较器U7A，U7B采用TLC374芯片，比较器的输出连接主控单元(图5)8脚或22脚。这里分A相、B相两路过电流信号检测。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种混合式步进电机驱动装置，其特征在于：包括中央控制单元及分别与之连接的电源电路、细分与电流控制电路、光耦隔离电路、报错显示电路、过压过流保护电路、H桥驱动电路、电流反馈比较电路，还包括分别与电流反馈比较电路、H桥驱动电路连接的两相步进电机。

2.如权利要求1所述的一种混合式步进电机驱动装置，其特征在于：所述H桥驱动电路采用IR2101半桥驱动芯片和IRF540开关管。

3.如权利要求1所述的一种混合式步进电机驱动装置，其特征在于：所述电流反馈比较电路采用TL374作为比较器。

4.如权利要求1所述的一种混合式步进电机驱动装置，其特征在于：所述过压过流保护电路采用LM339四运放比较器。