某扫描器步进电机驱动电路设计

2015-11-02改造者张大威

中国科技信息 2015年10期

改造者：张大威毛林

某扫描器步进电机驱动电路设计

改造者：张大威毛林

本文以某型扫描器为步进电机的典型应用对象，在分析了步进电机驱动原理的基础上对步进电机的驱动电路进行了研究，完成了基于专用集成步进电机驱动芯片DRV8811的步进电机驱动电路设计。并对此步进电路的驱动电路进行了调试测试，测试结果表明该驱动电路工作可靠，满足设计需求。最后，对本文的研究工作和所取得的研究成果进行了总结，并结合实际开发中的体会，提出了进一步的展望。

步进电机概述

步进电机利用电子电路将直流电变换为步进电机工作所需的脉冲电流，通过多相时序控制输出电流为步进电机定子绕组供电。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角），步进电机的旋转是按照固定的角度一步一步的运行。

步进电机驱动总体设计

步进电机驱动电路需求分析

本课题的主要设计需要如下：

设计两相步进电机驱动电路，采用恒流驱动方式，相驱动电流0.4～3A，可调节；

输入信号采用脉冲加方向控制模式；

输入频率100～1000Hz。

主要技术参数如下：

所选元器件满足-45℃～60℃的环境要求，系统能够满足运输机及直升机的环境技术要求。

步进电机驱动电路的总体方案设计

结合现有条件及技术储备，深入研究课题的需求，经综合比较和筛选后本方案的设计将以简单实用、稳定可靠为设计准则。本文利用步进电机驱动集成芯片DRV8811完成步进电机驱动电路的设计。

专用集成驱动芯片DRV8811步进电机驱动电路设计

专用步进电机集成驱动模块DRV8811

由需求分析可知，设计两相步进电机驱动电路，采用恒流驱动方式，相驱动电流0.4～3A，且可调节。目前常用的专用集成步进电机驱动芯片TA8435由于其峰值电流只能达到2.5A，故不能满足相应的设计需求。在本文中，采用了德州仪器（TI）的高性能专用集成步进电机驱动芯片DRV8811设计步进电机的驱动电路。该芯片可以十分方便的为扫描器、打印机及其他一些自动化设备的运动执行单元—步进电机提供集成驱动方案，并且设计电路及其简单易行。

DRV8811步进电机专用集成驱动芯片，内部集成了两路H桥驱动电路，适用于两相步进电机的驱动，支持8V～38V输入电压，最宽温度范围为-60°～150°，输出电流峰值可达6A，完全满足设计的需求。

DRV8811步进电路驱动电路设计

在详细设计驱动电路之前，需要首先了解DRV8811的内部结构图，在此基础上才能完善设计。

电流检测—恒流斩波参数选择设计

DRV8811的内部恒流斩波PWM模块中，采样电阻的输入经过了一个8倍的放大器。故参与比较的电压为采样电压的8倍。设步进电机定子绕组上的电流为ICHOP， ISENA和ISENB引脚外接的电阻阻值均为RISEN。第8引脚VREF外接电压为VREF，则当斩波电路实现恒流输出时，应用如下关系式：

RCA和RCB两个引脚外接的电阻和电容决定了恒流斩波电路的PWM的脉冲周期，设该引脚外接的并联的电阻值为R ，电容值为C ，则PWM恒流斩波的周期为

因此可以通过合理设置电阻R ，电容C的值来设置PWM恒流斩波的周期。

细分电路设计

DRV8811集成步进电机驱动芯片可以十分方便的用来配置步进电机的细分方式。与细分方式相关的引脚为USM0，USM1——12，13。本设计中采用拨码开关硬件配置细分方式。

方向控制设计

DRV8811有一个步进电机运行方向控制引脚DIR—3，该引脚电平状态不一样时对应的步进电机的旋转方向相反。根据需求分析可知，在设计时步进电机的运行方向可调，故本设计使用了一个切换开关来对步进电机的旋转方向进行切换。初始默认状态为顺时针旋转。同时增加了方向指示灯。

步进电机启停切换及状态显示电路设计

DRV8811有一个步进电机启停控制引脚RESETn—17，该引脚为低电平时，复位DRV8811，步进电机停止旋转；该引脚为高电平时，启动DRV8811，步进电机开始旋转。在电机运行时，用LED状态灯显示其运行状态。

脉冲信号输入电路

DRV8811有一个步进电机电脉冲输入引脚Step—19，该引脚接控制器的脉冲输出。本设计中，需要调节主控制器的输出脉冲频率从100Hz～1000Hz可调，因此设计了4个输入按钮，分别用于输入脉冲频率的个位、十位、百位和千位。控制器的检测信号为s1—s4，按钮没有动作时，输入信号通过上来电阻被拉到高电平，当按钮有动作时，检测到输入变为低电平，从而对应相应的动作。每次按钮动作，对应的位加1，程序设计最高显示至1000。

DRV8811主电路设计

步进电机驱动器芯片DRV8811的电路设计中RCA和RCB的外接并联电阻和电容值的乘积为恒流斩波电路的PWM输出脉冲频率。可调电阻R即用来设定步进电机定子绕组上的电流，从而达到了设计需求中的电流可调的要求，另一个作用是作为电流检测电路的采样电阻，用来实现步进电机定子绕组的恒流。

驱动总电路设计

结合以上分析，控制采用AT89S52。