一種三相反應式步進(jìn)電機驅動(dòng)器設計方法
關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機;LM331芯片;PMM8713芯片;功率驅動(dòng)?
1引言
隨著(zhù)運動(dòng)控制系統中數字化技術(shù)的發(fā)展與成熟,步進(jìn)電機在工業(yè)自動(dòng)化控制中得到廣泛的應用。步進(jìn)電機是一種完成數字/模擬轉換的執行元件。步進(jìn)電機區別于其他控制用途電動(dòng)機的最大特點(diǎn)是,步進(jìn)電機接收數字控制信號(電脈沖信號),并將這些脈沖信號轉換成與之相對應的角位移或直線(xiàn)位移。步進(jìn)電機另一重要的特點(diǎn)是其必須與相應的驅動(dòng)電路配合使用,而且其工作性能在很大程度上取決于所使用的驅動(dòng)電路的類(lèi)型和實(shí)際參數。因此,步進(jìn)電機驅動(dòng)電路的設計是步進(jìn)電機控制系統中的關(guān)鍵部分。本文主要介紹三相反應式步進(jìn)電機驅動(dòng)器的一種實(shí)用電路,該驅動(dòng)電路的系統框圖如圖1所示。
2脈沖分配器PMM8713
PMM8713是由日本Sanyo(三洋)電機公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機控制用的脈沖分配器(又稱(chēng)邏輯轉換器),為雙列直插式16腳單片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制,又可以用于4相控制。勵磁有1相、2相和1-2相三種方式,通過(guò)電路設計可任選其中一種激勵方式。此外,PMM8713還具有單時(shí)鐘或雙時(shí)鐘工作方式,帶有正反轉控制功能以及初始化復位功能。其內部有(1)時(shí)鐘選通,(2)激勵方式控制,(3)可逆環(huán)形計數,(4)激勵方式判斷等電路。PMM8713所有輸入端均采用施密特整形電路,因此抗干擾能力強。輸出電流大于20mA,可直接驅動(dòng)微型步進(jìn)電機。引腳如圖2所示。各引腳功能說(shuō)明:CU(PIN1)、CD(PIN2)是雙時(shí)鐘工作的時(shí)鐘輸入端。CU端接正轉時(shí)鐘;CD端接反轉時(shí)鐘。CK(PIN3)為單時(shí)鐘輸入端,此時(shí)步進(jìn)電機的正反轉由U/D(PIN4)腳來(lái)控制。在電路處于單時(shí)鐘輸入控制的前提下,當U/D=高電平時(shí),則輸出端輸出正轉脈沖序列;當U/D=低電平時(shí),則輸出端輸出反轉脈沖序列。EA(PIN5)和EB(PIN6)為激勵方式選擇端。EAEB=00時(shí),為雙激勵方式;EAEB=11時(shí),為1-2相激勵方式;EAEB=01或10(即兩電平相反)時(shí),為單激勵方式。3/4(PIN7)為三相或四相選擇控制端。當該腳=0時(shí),為三相輸出;當該腳=1時(shí),為思想輸出,通過(guò)該腳可以選擇控制三相或四相步進(jìn)電機。A~D(PIN13~10)為4個(gè)相驅動(dòng)端。3相用A~C(D=0),4相用A~D端。EM(PIN14)是激勵方式狀態(tài)標志。雙激勵方式該端輸出為高電平;單激勵方式該端輸出為低電平;1-2相激勵時(shí)該端輸出兩倍時(shí)鐘周期的脈沖。C?0(PIN15)為輸入時(shí)鐘檢測端。當該電路有時(shí)鐘脈沖輸入時(shí),在C0端可輸出同步于時(shí)鐘的脈沖。R(PIN9)為復位控制端,加低電平使輸出端A~D復位為表1所示的初始狀態(tài)。(其中0表示低電平,1表示高電平)。?
3電壓-頻率變換器LM331
LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片。LM331可用作精密的頻率電壓(F/V)轉換器、A/D轉換器、線(xiàn)性頻率調制解調、長(cháng)時(shí)間積分器以及其他相關(guān)的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片,其引腳如圖3所示。
LM331內部有(1)輸入比較電路、(2)定時(shí)比較電路、(3)R-S觸發(fā)電路、(4)復零晶體管、(5)輸出驅動(dòng)管、(6)能隙基準電路、(7)精密電流源電路、(8)電流開(kāi)關(guān)、(9)輸出保護點(diǎn)路等部分。輸出管采用集電極開(kāi)路形式,因此可以通過(guò)選擇邏輯電流和外接電阻,靈活改變輸出脈沖的邏輯電平,從而適應TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。此外,LM331可采用單/雙電源供電,電壓范圍為4~40V,輸出也高達40V。IR(PIN1)為電流源輸出端,在f0(PIN3)輸出邏輯低電平時(shí),電流源IR輸出對電容CL充電。引腳2(PIN2)為增益調整,改變RS的值可調節電路轉換增益的大小。f0(PIN3)為頻率輸出端,為邏輯低電平,脈沖寬度由Rt和Ct決定。引腳4(PIN4)為電源地。引腳5(PIN5)為定時(shí)比較器正相輸入端。引腳6(PIN6)為輸入比較器反相輸入端。引腳7(PIN7)為輸入比較器正相輸入端。引腳8(PIN8)為電源正端。?
4驅動(dòng)器系統電路
驅動(dòng)器系統電路由電壓-頻率變換電路LM331、脈沖分配器PMM8713和四電路通用運算放大器LM348等構成,如圖4所示。外接電阻Rt、電容Ct、內部定時(shí)比較器、復零晶體管和R-S觸發(fā)器等構成單穩定時(shí)電路。當輸入端Vi+輸入的電壓大于Vi-輸入端的電壓時(shí),f0輸出邏輯低電平。同時(shí),電流源IR對電容CL充電。電源VCC也通過(guò)電阻Rt對電容Ct充電。當電容Ct兩端的充電電壓大于VCC的2/3時(shí)。輸出端f?0輸出為邏輯高電平。此時(shí),電容Cr通過(guò)內部電路放電;CL對電阻RL放電。當CL放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí),輸入比較器再次輸出高電平,f0輸出邏輯低電平。如此反復循環(huán),構成自激振f0蕩。根據電容上電荷平衡原理和相關(guān)的電學(xué)知識,我們可以推導出:f0=Vi/(t1IRRL)。t1為充電時(shí)間,由定時(shí)元件Ct和Rt決定;IR為內部精密電流源輸出電流??傻贸鲚敵鲱l率f0和輸入電壓Vi成正比。從而由運動(dòng)控制系統輸出的可變電壓信號經(jīng)PMM8713變換后產(chǎn)生可變的頻率信號,控制步進(jìn)電機的轉速。
方向控制電路由LM348四電路通用運算放大器構成。外部方向控制信號通過(guò)LM348和基準電壓構成電壓比較電路。當Vdi大于基準電壓VH時(shí),U3A輸出為正,接至PMM8713的第四腳,控制輸出端輸出正相脈沖序列。當Vdi小于基準電壓VH時(shí),輸出端為負,接至PMM8713的第四腳,控制輸出端輸出負相脈沖序列,相應相驅動(dòng)輸出端輸出正反相脈沖序列,從而控制步進(jìn)電機的正反轉。
由LM331給出的輸入指令是輸入時(shí)鐘f0和方向指令DIR,這兩個(gè)指令在PMM8713中經(jīng)邏輯組合轉換各相通斷的時(shí)序邏輯信號。PMM8713的相驅動(dòng)輸出端(PIN10~PIN13)的驅動(dòng)電流達20mA以上,能直接驅動(dòng)微型步進(jìn)電機。R1、C1為開(kāi)機時(shí)自動(dòng)初始化電路。初上電的數十毫秒內R端為低電平,從而A~D端自動(dòng)復位至初始狀態(tài)(參見(jiàn)表1)。如果外接的步進(jìn)電機功率較大,PMM8713輸出驅動(dòng)端驅動(dòng)能力不夠。此時(shí)應設計功率放大驅動(dòng)電路,然后再驅動(dòng)步進(jìn)電機。PMM8713各相輸出端的導通順序邏輯信號送至功率驅動(dòng)段轉換成內部功率開(kāi)關(guān)的基極(或柵極)驅動(dòng)信號。步進(jìn)電機驅動(dòng)方式,按相繞組流過(guò)的電流是單向或雙向,可分為單極性和雙極性驅動(dòng)。通常,三相步進(jìn)電機采用單極性驅動(dòng)。從功率驅動(dòng)級電路來(lái)分析,又有電壓驅動(dòng)和電流驅動(dòng)之分。本設計中采用串聯(lián)電阻電壓驅動(dòng)方式。在相繞組中串接一定阻值和功率的電阻,一方面減小了繞組回路的時(shí)間常數,同時(shí)又對低頻和靜止工作時(shí)的電流進(jìn)行限制。
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5結束語(yǔ)
根據上述電路設計的步進(jìn)電機驅動(dòng)器結構簡(jiǎn)單、成本低、性能穩定。采用此系統設計的三相反應式步進(jìn)電機驅動(dòng)器驅動(dòng)55BF004型三相反應式步進(jìn)電機,已成功地應用在小距離驅動(dòng)和位置跟蹤等設置中,運行效果良好。
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