步进电机驱动器的设计问题初探

2010-08-15庹朝永

时代农机 2010年11期

庹朝永

（湖南机电职业技术学院，湖南长沙 410151）

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。其应用领域非常广泛，它在线切割的工作台拖动、植毛机工作台、ATM机、医疗仪器及设备、纺织机械设备中都有着广泛的应用。典型的步进电机系统一般采用模块化设计方法，可分为步进电机控制器、步进电机驱动器以及步进电机三个部分。其中步进电机系统的性能很大程度上取决于步进电机驱动器。

1 步进电机驱动器的组成及功用

一般，步进电机驱动器由以下四部分组成：逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源。

步进电机驱动器功用就是接受来自控制器的脉冲信号，按一定励磁时序轮流切换步进电机绕组的通电状态。具体各组成部分的功能如下：

（1）步进电机驱动器的控制电路就是将接到到来在控制器方向的售号和步进脉冲按预先设定的电机方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。

（2）功率驱动电路就将控制电路所提供的低功率的信号进行功率放大。

（3）保护电路就是在功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流时若出现短路、过载、过热等情形时快速停止驱动器和电机的运行。

2 步进电机驱动器设计方案

驱动器的总体设计根据其结构可分为3个部分：主回路部分、控制电路部分及开关电源。

（1）主回路采用交一直一交电压型逆变电路形式，将220V、50Hz的交流电变成直流电。主回路主要由整流滤波电路、三相三相逆变电路、混合式步进电机组成。

（2）步进驱动器的控制部分则由单片机控制器、比例积分调节电路、正弦脉宽调制电路和IPM接口电路组成。其主要用就是使三相混合式步进电机的绕组电流按弦规律变化，让电机转子运转。

（3）开关电源。开关电源用来给驱动器内部的控制电路和智能功率模块的控制侧提供多路电源。

3 硬件的选型

硬件的选型直接关系到步进电机驱动器的性能，本着成本低、安全性高、体积小的的方针，应遵守3个选型原则：一是要满足功能要示，集成度高，这样有利于开发出小体积、可靠的产品，也简化了硬件软件的开发过程；二是要性价比较高。易采购、价格适中、功能保障；三是要安全性高。步进驱动器在工业现场使用时间长，条件恶劣，因此所有器件均要使用工业级的产品。

（1）单片机的选型。单片机的选型原则：无需外部扩展或较少外部扩展来达到系统所有求功能。单片机有足够的I/0脚、中断资源、定时/计数器等，并且有数模转换器及足够容量的内部存储器，因为单片机输入信号包括了步进脉冲信号cP、方向控制信号、脱机信号、IPM的故障信号FO及细分步数选择信号，同时输出两相相差1200相位的正弦波和IPM接口电路封锁信号。同时单片机的运算速也要求较快以满足细分后步进脉冲信号频率的升高。根据以上需求，Philips公司的P87LPC769可在满足性能的档求下完成高集成度、低成本的方案，并可以国内广泛使用的MCS-51系列单片机兼容。

（2）智能功率模块的选型。驱动器中功率驱动电路核心器件可定为智能功率模块。用绝缘栅双极晶体管做为功率开关元件，并将其与驱动电路集成在一起，内置过压，过流、短路、过热和欠压等故障保护电路，并将故障信号送到CPU作中断处理。即使发生负载事故或使用不当，也可使IPM自身不受损坏。

（3）其他元器件选型。驱动器中三角波的频率高达十几KHz，因此高速运算放大器是必须的。而摩托罗拉公司的TL084为4运放集成芯片可用于高速数据采集系统、高速A/D转换系统等领域。光耦合器具有良好的绝缘能力及抗干拢能力，可使步进电机控制系统和驱动器能够正常的通信，避免相互干扰。霍尔电流传感器对电机绕组线电流的检测。霍尔电流传感器可以检测从直流到100kHz的各种波形的电流，精度高、线性度好。