中心議題：
- 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
- 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)
解決方案：
- 基于一種低成本的新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研制
0 引 言
步進(jìn)電機(jī)是由脈沖控制運(yùn)行的特殊同步電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)每一供電脈沖，都產(chǎn)生一個(gè)恒定量的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，可以是角位移或線位移。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，是數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件。它具有一定的開環(huán)控制精度，步距誤差不長(zhǎng)期積累，易于啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，與上位機(jī)接口簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電機(jī)本體的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)在辦公自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器、數(shù)控機(jī)械等眾多領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。
同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也得到了很大的發(fā)展和改進(jìn)。但是目前在工業(yè)應(yīng)用中，多數(shù)驅(qū)動(dòng)器體積較大，通用性不強(qiáng)，往往要求外接多路電源，而且成本不低。為此，本文提出了一種單一電源輸入、寬電壓、寬電流、低成本的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)試驗(yàn)和實(shí)際使用驗(yàn)證了其通用性強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單，可靠性高的特性。
1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要指標(biāo)要求：
(1)低成本、小體積;
(2)寬范圍單電源輸入：25～85Vdc
(3)輸出每相電流最大值：7A。
根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)中，以單片步進(jìn)電機(jī)控制器集成電路L297為控制核心，由于其內(nèi)部集成了脈沖分配器、PWM斬波器以及輸出邏輯控制單元等豐富模塊，使系統(tǒng)控制更加方便簡(jiǎn)單。采用由晶體三極管和功率MOS管組成的分立式的功率驅(qū)動(dòng)電路代替集成塊電路，使系統(tǒng)成本降低，而且能夠滿足驅(qū)動(dòng)寬電壓、大電流的步進(jìn)電機(jī)的要求。以單片電流型PWM控制器集成電路SI9114A為核心，設(shè)計(jì)的高頻DC-DC變換電路解決了系統(tǒng)所需多路電源的需求，降低了系統(tǒng)功耗，減小了電源電路的體積，并且降低了成本。
圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)接收步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向信號(hào)DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE以及工作方式選擇信號(hào)MODE，通過(guò)光耦隔離輸入給L297，然后按一定的規(guī)律進(jìn)行分配并輸出邏輯控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行放大后加到步進(jìn)電機(jī)各相輸入端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按指令運(yùn)轉(zhuǎn)。此外系統(tǒng)還具有相電流大小選擇、半流鎖定以及過(guò)流保護(hù)等功能。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)
2.1 步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)控制電路以L297為核心。通過(guò)內(nèi)部集成的脈沖分配器產(chǎn)生三種相序信號(hào)，對(duì)應(yīng)于三種不同的工作方式：半步方式;基本步距，一相激勵(lì)方式;基本步距，兩相激勵(lì)方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個(gè)3位可逆計(jì)數(shù)器，加上一些組合邏輯，產(chǎn)生每周期8拍格雷碼時(shí)序信號(hào)，就是半步工作方式時(shí)的時(shí)序信號(hào)。而在基本步距工作方式時(shí)，則產(chǎn)生每周期4拍的時(shí)序信號(hào)。L297的另一個(gè)重要組成是由兩個(gè)PWM斬波器來(lái)控制相繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制，已獲得良好的轉(zhuǎn)矩—頻率特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器和外接采樣電阻組成，并設(shè)有一個(gè)通用振蕩器，向兩個(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號(hào)，而脈沖頻率由外接的 RC網(wǎng)絡(luò)決定。L297的CONTROL端用來(lái)選擇斬波信號(hào)的控制，將其置為低電平，以使斬波信號(hào)作用于INH1和INH2，而由A、B、C、D端來(lái)控制繞組的通斷與極性。相繞組電流峰值由VREF端來(lái)決定。
恒流斬波控制技術(shù)是目前步進(jìn)電機(jī)控制的主流技術(shù)，驅(qū)動(dòng)方式采用PWM等方式，使相繞組電流無(wú)論在低頻或高頻段工作時(shí)都保持基本恒定。由于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與電機(jī)相繞組電流相關(guān)，所以恒流斬波控制技術(shù)能夠保證電機(jī)牽出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。同時(shí)，電機(jī)的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn)象減弱。該兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器充分利用了L297的功能，采用恒流斬波驅(qū)動(dòng)控制方法。通過(guò)采樣電阻反饋相繞組電流值與設(shè)定的相繞組電流峰值相比較，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，使電源電壓工作在開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而使繞組電流保持在設(shè)定值附近波動(dòng)。由于電源電壓并不是一直向繞組供電，而只是一個(gè)個(gè)窄脈沖，總的輸入能量是各脈沖時(shí)間的電壓與電流乘積的積分，取自電源的能量大幅度下降，降低了發(fā)熱量，具有較高的效率。
2.2 半流鎖定功能的實(shí)現(xiàn)
步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，為輸出較大的轉(zhuǎn)矩及具有快速響應(yīng)，應(yīng)保持繞組電流為額定值而不使其下降。但在電機(jī)的鎖定狀態(tài)通常沒(méi)必要輸出大的轉(zhuǎn)矩，為減少電機(jī)的發(fā)熱，提高系統(tǒng)的效率，減輕驅(qū)動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，可在鎖定狀態(tài)適當(dāng)降低繞組電流。本驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的鎖定電流減半功能電路如圖2所示。圖中，CLK為步進(jìn)脈沖信號(hào)CP經(jīng)過(guò)光耦隔離后的信號(hào)。該電路中采用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123，其輸出脈沖寬度TW為：
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當(dāng)CLK的周期小于或等于TW時(shí)，晶體管一直處于截止?fàn)顟B(tài)，不存在鎖定時(shí)間。而當(dāng)CLK的周期大于TW或處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，晶體管導(dǎo)通，電阻R1并聯(lián)至參考電壓端，使參考電壓減半，即實(shí)現(xiàn)了電流減半的功能。
圖2 半流鎖定功能電路圖
2.3 分立式的功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路較為典型的設(shè)計(jì)一般都是采用集成電路，例如用雙H橋高電壓大電流功率集成電路L298，IR公司的MOSFET驅(qū)動(dòng)集成電路等。然而對(duì)于 L298，雖然簡(jiǎn)單方便，但是只可驅(qū)動(dòng)母線電源電壓為46V、每相電流2A以下的步進(jìn)電機(jī)，因而它的電源輸入范圍相對(duì)較窄，局限性較大;而對(duì)于IR公司的 MOSFET驅(qū)動(dòng)集成電路，它的通用性很強(qiáng)，但是價(jià)格相對(duì)較貴，并不適于低成本的驅(qū)動(dòng)器。為了避免上述集成電路的缺陷，在該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，功率驅(qū)動(dòng)電路采用分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
功率電路采用大功率雙H橋電路，上半橋使用P溝道功率MOSFET IRF9540，下半橋使用N溝道功率MOSFET IRF540。這樣可以滿足驅(qū)動(dòng)母線電源電壓為85V、相電流7A的步進(jìn)電機(jī)的要求。而且采用這種結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路電源的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵俨恍枰鄠€(gè)隔離的驅(qū)動(dòng)電源，可以使母線電源與驅(qū)動(dòng)電源共地。對(duì)于上橋P溝道功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)采用由NPN和PNP三極管構(gòu)成的互補(bǔ)式驅(qū)動(dòng)電路，使 MOSFET輸入電容充放電電路的電阻都很小，加速了功率管的通斷。并通過(guò)并接一個(gè)13V的穩(wěn)壓二極管，使得當(dāng)母線電壓較高時(shí)鉗位MOSFET的柵源驅(qū)動(dòng)電壓，以避免其超過(guò)柵源擊穿電壓。而對(duì)于下橋N溝道功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)采用簡(jiǎn)單的NPN三極管驅(qū)動(dòng)放大電路，這樣改善了MOSFET的開通過(guò)程，而且減少了驅(qū)動(dòng)電源的功率;并在三極管的基極與發(fā)射極反并聯(lián)二極管，這樣就為輸入電容提供了放電回路，加速了功率管的關(guān)斷過(guò)程。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路直接來(lái)驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET時(shí)會(huì)引起被驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的快速開通和關(guān)斷，這就有可能造成被驅(qū)動(dòng)功率MOSFET漏源極間電壓的振蕩。這樣，一則會(huì)引起射頻干擾;二則有可能造成功率MOSFET遭受過(guò)高的 而擊穿損壞。為解決這一問(wèn)題，采用在被驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的柵極與驅(qū)動(dòng)電路的輸出之間串聯(lián)一個(gè)15 的無(wú)感電阻。具體的上、下半橋驅(qū)動(dòng)電路分別如圖3和圖4所示。L297輸出的載有斬波信號(hào)的INH1、INH2，與時(shí)序邏輯信號(hào)A、B、C、D經(jīng)過(guò)邏輯門電路的恰當(dāng)組合，產(chǎn)生PWM1和PWM2信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的斬波信號(hào)輸入端。
圖3 上半橋驅(qū)動(dòng)電路
圖4 下半橋驅(qū)動(dòng)電路
2.4 高頻開關(guān)電源電路的實(shí)現(xiàn)
該開關(guān)電源系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用正激變換器的形式[5]，如圖5所示。以VISHAY公司的SI9114A芯片為控制核心，用簡(jiǎn)單的脈寬調(diào)制方式取代復(fù)雜的諧振方式設(shè)計(jì)出功率為12W、工作頻率為100kHz、輸入直流電壓范圍為25～85V、輸出直流電壓 12V的DC-DC變換電路。SI9114A采用占空比小于50%的恒頻電流控制模式，通過(guò)提高轉(zhuǎn)換頻率，可以進(jìn)一步減小儲(chǔ)能元件的尺寸、降低系統(tǒng)的功耗、簡(jiǎn)化分布式電源的結(jié)構(gòu)。通過(guò)簡(jiǎn)單的外接電阻ROSC和電容COSC配合芯片內(nèi)部的振蕩電路以及二分頻電路設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為100kHz。為了解決由于直流母線電壓與芯片控制電路電壓存在很大壓差所帶來(lái)的啟動(dòng)問(wèn)題，SI9114A采用了低功耗的BiC/DMOS電路和一種高壓耗盡型MOSFET，使啟動(dòng)時(shí)的延遲以及需要大電容的問(wèn)題得到解決。由于被檢測(cè)電流波形前沿常夾雜有噪聲電平，通過(guò)外接RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通濾波電路來(lái)抑制毛刺而使整個(gè)波形不產(chǎn)生畸變。各電源端也需要并接100nF的陶瓷電容用作高頻旁路。輸出驅(qū)動(dòng)采用N溝道和P溝道互補(bǔ)型輸出級(jí)，可以直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。另外還具有軟啟動(dòng)和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)的功能。
圖5 正激變換器拓?fù)鋱D
3 試驗(yàn)結(jié)果
該驅(qū)動(dòng)器分別與型號(hào)為86BYG200、90BYG200的兩臺(tái)混合式步進(jìn)電機(jī)相連接，進(jìn)行了相關(guān)的矩頻特性試驗(yàn)以及帶額定負(fù)載下的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)器能夠達(dá)到與相應(yīng)的專用驅(qū)動(dòng)器相同的技術(shù)指標(biāo)，并且在很寬的頻率下電機(jī)都能穩(wěn)定運(yùn)行，電磁噪聲和發(fā)熱量也較低。而該驅(qū)動(dòng)器也具有許多專用驅(qū)動(dòng)器所不具備的優(yōu)勢(shì)，例如：?jiǎn)我浑娫摧斎耄恍枰饨涌刂齐娫春万?qū)動(dòng)電源;適應(yīng)25～85V寬范圍的輸入電源;體積較小，成本較低，相對(duì)于專用驅(qū)動(dòng)器可節(jié)省成本約20%左右。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：以單片步進(jìn)電機(jī)控制器L297為控制核心，采用由晶體三極管和功率MOS管組成的分立式的功率驅(qū)動(dòng)電路，以及以單片電流型脈寬調(diào)制(PWM)控制器SI9114A為核心的高頻開關(guān)電源電路構(gòu)成并實(shí)現(xiàn)了一種通用性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、成本低廉的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)在包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際使用，進(jìn)一步證明了該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作可靠，效率高，矩頻特性好。可以廣泛應(yīng)用于小型機(jī)電一體化設(shè)備中，有效的降低成本，更好的滿足需求。
