基于SMA7029M多芯片模塊的步進電機驅動設計

朱曉琨

摘 要:步進電機系統在當今機電一體化產品設計中越來越重要,從數控機床、包裝機械到電腦外圍裝置等工業產品中都離不開步進電機的身影。以Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊為核心,實現一種控制簡單、成本低廉的兩相單極性步進電機驅動器,并通過試驗和實際使用表明該設計通用性強、控制簡單、可靠性高,可廣泛應用于小型機電一體化設備。

關鍵詞:步進電機;驅動控制;多芯片模塊;工作模式

中圖分類號:TP23 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-154-02

Design of Stepper Motor Driver Based on SMA7029M

ZHU Xiaokun

(No.795 Factory,Xianyang,712099,China)

Abstract:It is more and more important of the stepper motor system in the modern mechatronics products,such as CNC,packaging machinery,computer peripherals and so on.A design of the stepper motor driver with the simply controlling and inexpensive cost is proposed based on the multi-chip modules SMA7029M.The practice application shows its universalness,simplicity and reliableness,and the design in this paper can be widely used in the small-scale electromechanical integration equipments.

Keywords:stepper motor;driving control;multi-chip modules;work mode

步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執行設備,是現代機電一體化產品中的關鍵部件之一。它通常被用作定位控制和定速控制,以其慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點廣泛應用于數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等機電一體化產品。相應的步進電機驅動器也得到了快速的發展和改進。但是目前在工業應用中,多數驅動器體積較大,通用性不強,往往要求外接多路電源,而且成本較高。文中介紹了采用Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊設計步進電機的驅動電路,為步進電機提供穩定的輸出電流,并通過試驗和實際使用驗證了其通用性強、控制簡單、可靠性高的特性。

1 步進電機特點及驅動

步進電機受脈沖電流控制,每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。轉子的角位移正比于輸入脈沖的數量,轉子的角速度正比于輸入脈沖的頻率,轉子的旋轉方向取決于定子繞組的通電順序。在使用過程中步進電機有一定的步距誤差,但沒有累計誤差。若維持控制繞組的電流不變,則步進電機就可停在某一位置不動。其按力矩產生的原理可分為反應式步進電機和激磁式步進電機。按輸出力矩大小可分為伺服式步進電機和功率式步進電機。

由于步進電機是屬于感性器件,感抗與其輸入頻率是成正比。假設步進電機的轉速增加,其感抗也會增大。該狀態下流入電機線圈的電流就會減小,電機的輸出扭力達不到要求輸出,嚴重的情況下會造成電機失步或者電機只振動不轉。這就要求其驅動電路能夠提供穩定的輸出電流,使步進電機具有穩定的轉動。一般設計中步進電機驅動都用采用三極管或者是用ULN2803IC等來驅動,這些驅動在實驗板或一些轉速不高、帶動負載小的應用場所使用比較合適,在實際工作設計中遠遠達不到所需要求。針對這些問題,各大公司陸續推出了專用的步進電機驅動芯片,簡化其驅動設計。Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊就是一款性能使用簡單控制優良的步進電機控制模塊,該多芯片模塊能為步進電機提供穩定的輸出電流,使電機能夠穩定的轉動。

2 步進電機驅動設計

SMA7029M是專為高效率、高性能的兩相單極步進電機設計的多芯片模塊,它采用功率FET技術和單片邏輯控制電路對完成步進電機的運動控制。同一系列的還有SLA7024M和SLA7026M,三個芯片模塊不同主要是在輸出額定電流(1.5 A或3.0 A)和包裝樣式上。

2.1 SMA7029M結構及驅動設計

SMA7029M內部主要包含電流峰值檢測部分,PWM關閉時間控制部分,電機邏輯控制部分,輸出電流及回流電流控制部分,如圖1所示。其工作過程主要是通過電流采樣,通過峰值檢測電路得到當前最大電流,根據其結果控制PWM工作時間,最終達到控制整個芯片組輸出電流的目的。

圖1 SMA7029M的內部結構及外圍電路

圖1也給出基于SMA7029M芯片組電機驅動設計的外圍電路,主要包含參考電壓取樣電路,OC門反向器輸入電路,電流取樣以及輸出變壓器耦合電路。通過設置電路中的R3=47 kΩ,C1=470 pF,可以得到脈寬約等于12 μs。

2.2 邏輯控制關系

SMA7029M可以通過外部邏輯控制實現電機狀態的改變,表1給出了詳細的控制方式及輸出結果。

表1 SMA7029M半步進操作狀態

Sequence狀 態

012345670

Input AHHLLLLLHH

Input A or tdaLLLHHHLLL

Input BLHHHLLLLL

Input B or tdbLLLLLHHHL

Output(s) ONAABBABAABBABA

其中tda和tdb連接外部OC門反相器的邏輯控制信號,連接關系見圖1所示。從表1中可以看出,不同控制關系下輸出的不同狀態轉移,A和B兩個通道可以獨立控制,例如在狀態0及狀態2下A,B通道分別獨立工作,而在狀態1下二者可以同時工作。

2.3 工作模式選擇

通過改變圖1中外部元器件取值來設置PWM電流啟動點。Vb是供電電壓,典型取值為5 V;R1,R2為分壓電阻,為所需參考電壓提供合適的輸入;Rs是電流取樣電阻。其中參考電壓Vref輸入最大不能超過2 V,相應地選擇合適的電阻。在正常PWM模式(滿電流工作)下,Iout需要設置到電機工作所需的滿電流,它由式(1)決定:

Iout=R2R1+R2?VbRs

(1)

為了使輸出電流可調,可以將圖1中的固定電阻R2改用可調電位器。在保持電流模式下,圖2增加電路可以減小步進電機的電壓。

其中外部三極管可以改變分壓比,使參考電壓Vref發生變化,從而減小輸出電流。此時的Ihold由電阻R1,R2,Rx,Rs以及電壓Vb共同決定:

Ihold=R2RxR1R2+R1Rx+R2Rx?VbRs

(2)

圖2 保持電流模式下參考電壓電路

3 結 語

步進電機驅動作為現代機電一體化產品中的關鍵部件之一,在當今社會中發揮的作用越來越重要,從數控機床、包裝機械到電腦的外圍裝置、機器人系統、儀表儀器等各種信息工業產品中,都離不開步進電機,進而也對其驅動電路設計提出了進一步的要求。本文以Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊為核心,實現了一種控制簡單、成本低廉的兩相單極性步進電機驅動器,通過設計合適參數控制步進電機輸入電流。通過在包裝機控制系統中的實際使用,進一步證明了該步進電機驅動器工作可靠,效率高,矩頻特性好,可以廣泛應用于小型機電一體化設備中。

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