步進電機驅(qū)動器的設計問題初探

庹朝永

（湖南機電職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410151）

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。其應用領(lǐng)域非常廣泛，它在線切割的工作臺拖動、植毛機工作臺、ATM機、醫(yī)療儀器及設備、紡織機械設備中都有著廣泛的應用。典型的步進電機系統(tǒng)一般采用模塊化設計方法，可分為步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器以及步進電機三個部分。其中步進電機系統(tǒng)的性能很大程度上取決于步進電機驅(qū)動器。

1 步進電機驅(qū)動器的組成及功用

一般，步進電機驅(qū)動器由以下四部分組成：邏輯控制電路、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源。

步進電機驅(qū)動器功用就是接受來自控制器的脈沖信號，按一定勵磁時序輪流切換步進電機繞組的通電狀態(tài)。具體各組成部分的功能如下：

（1）步進電機驅(qū)動器的控制電路就是將接到到來在控制器方向的售號和步進脈沖按預先設定的電機方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號。

（2）功率驅(qū)動電路就將控制電路所提供的低功率的信號進行功率放大。

（3）保護電路就是在功率驅(qū)動電路向步進電機控制繞組輸入電流時若出現(xiàn)短路、過載、過熱等情形時快速停止驅(qū)動器和電機的運行。

2 步進電機驅(qū)動器設計方案

驅(qū)動器的總體設計根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為3個部分：主回路部分、控制電路部分及開關(guān)電源。

（1）主回路采用交一直一交電壓型逆變電路形式，將220V、50Hz的交流電變成直流電。主回路主要由整流濾波電路、三相三相逆變電路、混合式步進電機組成。

（2）步進驅(qū)動器的控制部分則由單片機控制器、比例積分調(diào)節(jié)電路、正弦脈寬調(diào)制電路和IPM接口電路組成。其主要用就是使三相混合式步進電機的繞組電流按弦規(guī)律變化，讓電機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。

（3）開關(guān)電源。開關(guān)電源用來給驅(qū)動器內(nèi)部的控制電路和智能功率模塊的控制側(cè)提供多路電源。

3 硬件的選型

硬件的選型直接關(guān)系到步進電機驅(qū)動器的性能，本著成本低、安全性高、體積小的的方針，應遵守3個選型原則：一是要滿足功能要示，集成度高，這樣有利于開發(fā)出小體積、可靠的產(chǎn)品，也簡化了硬件軟件的開發(fā)過程；二是要性價比較高。易采購、價格適中、功能保障；三是要安全性高。步進驅(qū)動器在工業(yè)現(xiàn)場使用時間長，條件惡劣，因此所有器件均要使用工業(yè)級的產(chǎn)品。

（1）單片機的選型。單片機的選型原則：無需外部擴展或較少外部擴展來達到系統(tǒng)所有求功能。單片機有足夠的I/0腳、中斷資源、定時/計數(shù)器等，并且有數(shù)模轉(zhuǎn)換器及足夠容量的內(nèi)部存儲器，因為單片機輸入信號包括了步進脈沖信號cP、方向控制信號、脫機信號、IPM的故障信號FO及細分步數(shù)選擇信號，同時輸出兩相相差1200相位的正弦波和IPM接口電路封鎖信號。同時單片機的運算速也要求較快以滿足細分后步進脈沖信號頻率的升高。根據(jù)以上需求，Philips公司的P87LPC769可在滿足性能的檔求下完成高集成度、低成本的方案，并可以國內(nèi)廣泛使用的MCS-51系列單片機兼容。

（2）智能功率模塊的選型。驅(qū)動器中功率驅(qū)動電路核心器件可定為智能功率模塊。用絕緣柵雙極晶體管做為功率開關(guān)元件，并將其與驅(qū)動電路集成在一起，內(nèi)置過壓，過流、短路、過熱和欠壓等故障保護電路，并將故障信號送到CPU作中斷處理。即使發(fā)生負載事故或使用不當，也可使IPM自身不受損壞。

（3）其他元器件選型。驅(qū)動器中三角波的頻率高達十幾KHz，因此高速運算放大器是必須的。而摩托羅拉公司的TL084為4運放集成芯片可用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等領(lǐng)域。光耦合器具有良好的絕緣能力及抗干攏能力，可使步進電機控制系統(tǒng)和驅(qū)動器能夠正常的通信，避免相互干擾。霍爾電流傳感器對電機繞組線電流的檢測。霍爾電流傳感器可以檢測從直流到100kHz的各種波形的電流，精度高、線性度好。

4 供電方案

采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，其效率可達85％以上，并且體積小、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高，不使用電源變壓器，而且可以順便獲得多路控制電源，適應較大的輸入電源范圍。但因其使用的零件多，可靠性沒有線形穩(wěn)壓電源高；會產(chǎn)生電磁干擾，電路上要采用濾波器或隔離加以抑制。

隔離反激式開關(guān)電源電路以其低廉的成本、簡單和容易實現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點，在小功率的開關(guān)電源設計中被廣泛采用。驅(qū)動器電源設計中采用的也是這種開關(guān)電源。

5 軟件開發(fā)語言選型

單片機的軟件有兩種語方開發(fā)方案：匯編語言開發(fā)，C語言開發(fā)。

C語言的優(yōu)點是易學易用，可加快軟件的開發(fā)速度，并且它容易進行移植，有利單片機的重新選型。而匯編語言程序優(yōu)點是：能充分發(fā)揮硬件速度快、效率高，便于實現(xiàn)實時控制。

在驅(qū)動軟件開發(fā)中，可結(jié)合這兩種語言的優(yōu)點，先使用C語言編寫整套控制程序，經(jīng)軟件功能調(diào)試無誤后，再用匯編語言改寫整套軟件，以發(fā)揮匯編實時性好的優(yōu)點。

步進電機驅(qū)動器的設計主要就是在理解其工作原理的基礎(chǔ)上，根所實際需要從而選擇合適的硬件、軟件開發(fā)語言并采用合理的供電方案。

［1］周明安，朱光忠.步進電機驅(qū)動技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.機電工程技術(shù)，2005，（2）.

［2］王璐，陳洪亮.步進電機驅(qū)動器保護電路設計［J］.電工技術(shù)，2008，（11）.

［3］胡東，王涌.三相步進電機細分數(shù)字驅(qū)動器的研究［J］.浙江工業(yè)大學學報，2007，（3）.