兩相大功率步進電機驅(qū)動控制電路設(shè)計
摘要：單片機結(jié)合電機專用控制芯片L297組成兩相步進電機邏輯電路，控制大功率MO SFET管組成的H橋驅(qū)動電路，并采用R2110驅(qū)動功率管的柵極，簡化了功率驅(qū)動線路。驅(qū)動電路實
現(xiàn)了大功率恒流斬波驅(qū)動，同時采用細分控制方式，提高了控制精度；可用于大功率的自動化設(shè)備中。
關(guān)鍵詞：步進電機：細分控制：L297；R2110
0引 言
步進電機作為一種高精度的執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，步進電機驅(qū)動與控制電路由分立元件向?qū)Ｓ眉呻娐钒l(fā)展，不但給步進電機控制帶來極大方便，而且體積縮小，成本降低，性能改善，調(diào)整方便，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。用來控制步進電機的電驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括前級的微功率控制電路、驅(qū)動電源和末級的功率驅(qū)動部分。前級控制電路容易實現(xiàn)集成，通常是模擬數(shù)字混合集成電路；對于小功率系統(tǒng)，末級驅(qū)動電路也已集成化。而對于大功率系統(tǒng)，末級功率驅(qū)動集成芯片少見且價格較高。本文采用L297控制由P,21 10和大功率場效應(yīng)管組成的功率驅(qū)動電路，并結(jié)合單片機進行細分控制，改善了步進電機的運行品質(zhì)。
1工作原理
細分驅(qū)動需要控制繞組電流的大小，有單電壓、串電阻驅(qū)動和斬波恒流驅(qū)動兩種方式。斬波
恒流驅(qū)動具有高頻響應(yīng)好、輸出轉(zhuǎn)矩均勻、能消除共振現(xiàn)象等優(yōu)點。本文選用此方式。在斬波恒流驅(qū)動電路中，繞組電流的大小取決于比較器的給定電壓，實際是對應(yīng)各個電流臺階給比較器施加給定的電平。步進電機細分驅(qū)動原理如圖1所示。
環(huán)形分配器用來接受來自信息處理與控制單元的cP脈沖，并按步進電機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。每來一個脈沖，環(huán)形分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號放大和處理級，結(jié)合給定的臺階電平，輸出有效的控制信號送入推動級。這中間一般既需要電壓放大，也需要電流放大。信號處理實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和合成功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。推動級將信號進一步放大送入驅(qū)動級，有時它還具有電平轉(zhuǎn)換的作用。
2硬件電路
本文設(shè)計的兩相步進電機驅(qū)動硬件電路框圖
如圖2所示。
圖2兩相步進電機驅(qū)動框圖
2．1邏輯控制電路
應(yīng)用L297可以很方便地對步進電機進行控制。
L297適用于雙極『生兩相步進電機或者單極性四相步進電機的控制。它的輸出信號驅(qū)動功率電路。此器件只需要時鐘、方向和模式輸入信號，相位由內(nèi)部產(chǎn)生，可減輕微處理器的負擔和程序設(shè)計量。
L297的核心部分是一組譯碼器。它能產(chǎn)生各種所需的相序，有方向(cⅣ／ccⅣ)和HALF／FULL
及時鐘cP輸入，將譯碼器從一階梯推進至另一階梯。譯碼器有4個輸出點連接到輸出邏輯部分，提供抑制和斬波功能所需的相序。L297另一個重要組成是兩個控制相繞組電流的FWM斬波器，以獲得良好的矩頻特性。每個斬波器由一個比較器、一個Rs觸發(fā)器和外接采樣電阻組成，并設(shè)有一個公用振蕩器，向兩個斬波器提供觸發(fā)脈沖信號。當
時鐘振蕩器脈沖使觸發(fā)器置l、電機繞組相電流上升，采樣電阻尺。上電壓上升到基準電壓≮肘，比較器翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器復(fù)位，功率晶體管關(guān)斷，電流下降，等待下一個振蕩脈沖的到來。這樣，觸發(fā)器輸出的是恒頻1WM信號，調(diào)制L297的輸出信號，繞組相電流峰值由f／。確定。f／。。由Mcu發(fā)出數(shù)字命令經(jīng)DAc轉(zhuǎn)換得到．從而方便地獲得階梯電壓，產(chǎn)生階梯電流。此外L297也對電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩進行控制。
由于步進電機在轉(zhuǎn)速較高、變化較大的場合下有失步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，在低速時甚至?xí)袷帯�。。為了改善其運行品質(zhì)，采用細分控制方法。步進原理即是按一定的順序向各個繞組通電流脈沖，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。細分驅(qū)動就是當相鄰的兩相或多相繞組同時通電時，將原本一次到位的各相電流插入若干中間狀態(tài)，分成階梯，將離散變化的數(shù)字量連續(xù)化心’。利用單片機和兩片L297即可組成細分電路。在電路設(shè)計中采用單片機產(chǎn)生與L297相序一致的細分參考電壓p 0，由P0口輸出相應(yīng)的數(shù)組值經(jīng)DA(20832的數(shù)模轉(zhuǎn)換后送給L297。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。采用雙緩沖方式接口，同步輸出兩組值。分別送給兩片L297的k習(xí)『腳。
由兩片L297分別產(chǎn)生細分控制兩個回路需要的邏輯信號，如圖4所示。其中尺4和尺5分別是兩個回路的檢測電阻。vl和v2是經(jīng)DA轉(zhuǎn)換得到的所需的臺階電平。
2．2功率驅(qū)動電路
由于兩相步進電機雙極性驅(qū)動效率比單極性驅(qū)動要高，故采用雙H橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)。開關(guān)管選用功率MOsFET(RF450)。它的特點是開關(guān)頻率高，****可達幾百千赫。峰值電壓達到500 v，峰值電流達到14 A。完全滿足大功率步進電機的需求。RF450的驅(qū)動電路采用R2110柵極驅(qū)動器。該芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊。在芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅(qū)動電路的可靠性。尤其是上管采用外部白舉電容上電，使得驅(qū)動電源
數(shù)目較其他℃驅(qū)動大大減少。
IR2110的主要特性有口’：內(nèi)部應(yīng)用自舉技術(shù)未實現(xiàn)同一集成電路，可同時輸出兩個驅(qū)動逆變橋中高壓側(cè)和低壓側(cè)的通道信號。它的內(nèi)部為自
舉操作設(shè)計了懸浮電源，懸浮電源保證了直接可用于母線電壓為．4 v、500 v的系統(tǒng)中未驅(qū)動功率。MOSFET或I(BT。同時器件本身允許驅(qū)動信號的電壓上升率達．50 p s、+50 v／s，故保證了芯片自身有整形功能，實現(xiàn)了不論其輸入信號前沿的陡度如何，都可保證加到被驅(qū)動MOsFET或113．BT柵極上的驅(qū)動信號前后沿很陡，這樣可極大地
減少被驅(qū)動功率器件的開關(guān)時間，降低開關(guān)損耗。器件的功耗很小，可極大地減少應(yīng)用它來驅(qū)動MO s器件時柵極驅(qū)動電路的電源容量。從而減小柵極驅(qū)動電路的體積和尺寸。R2110的合理設(shè)計，使其輸入級電源與輸出級電源可應(yīng)用不同的電壓值，這樣就保證了其輸入與(MOs或TⅡ電平兼容，而輸出具有較寬的驅(qū)動電壓范圍。而且它身可對輸入的兩個通道信號之間產(chǎn)生合適的延時，保證了加到被驅(qū)動的逆變橋中同橋臂上的兩個功率器件的驅(qū)動信號之間有一互鎖時間間隔，因而防止了被驅(qū)動的逆變橋中兩個功率器件同時導(dǎo)通，發(fā)生直流電源直通而短路的危險。 功率驅(qū)動電路如圖5所示。柵極驅(qū)動部分中(112為自舉電容vCc經(jīng)Dll、(112以及下端的開關(guān)管給(112充電，以確保下管關(guān)閉、上管導(dǎo)通時，上管的柵極靠(112上足夠的儲能未驅(qū)動。在IR2110上側(cè)和下側(cè)的輸出端分別加一個電阻，確保上下管不會直通，并且在功率管的柵極加穩(wěn)壓二極管作為保護，以免高壓損壞功率管。右側(cè)結(jié)構(gòu)與左側(cè)對稱。主驅(qū)動電路采用兩個獨立的H橋結(jié)構(gòu)。每個橋由4個功率管組成。每個功率管上都反向并聯(lián)一只二極管作為續(xù)流使用。左上管和右下管導(dǎo)通時，電流經(jīng)左上管．電機繞組．右下管到地，右上管和左下管導(dǎo)通時，電流經(jīng)右上管．電機繞組．左下管到地，電機繞組中流過方向相反的電流。
3軟件組成
兩相步進電機基本的控制方式有三種： 其中，+A+B和．A．B分別代表A相和B相正 整步： 向通電和反向通電。整步工作方式和半步工作方單相勵磁兩拍：+A +B ．A ．B。 式都可以由L297方便的實現(xiàn)。而半步工作狀態(tài)的雙相勵磁兩拍： +A+B +B．A ．A．B 步距角小，更有利于細分控制。以半步工作方式B+A。 為例，4細分時各相通電時序圖如圖6。
 由于使用了L297來實現(xiàn)相序分配，使軟件的工作量大大減少，并且提高了系統(tǒng)的可靠性。由此根據(jù)時序圖就可以很容易地編寫出步進電機的控制程序，固化在單片機中在中斷程序里調(diào)用。系統(tǒng)程序框圖如圖7所示。
以P1．1作為L297皿OcK的輸入，P1．0和P1．3分別為CⅣ和HALF引腳的輸入，在模式初始化中選擇步進電機的工作方式和轉(zhuǎn)向。外部脈沖從單片機的外部中斷口送入，在中斷程序中進行計數(shù)，查表，輸出有效數(shù)據(jù)，這樣使得步進電機驅(qū)動控制電路能夠更好的與其他用途接口，方便地進行調(diào)速控制。
4結(jié)論
由單片機和L297組成邏輯控制電路，只需要
較少的輸入信號，相位由L297內(nèi)部產(chǎn)生，減輕了片機和程序設(shè)計的負擔。用兩片L297分別控制兩相步進電機的兩個繞組，由單片機輸出根據(jù)相序得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換送到L297實現(xiàn)了細分控制，能夠?qū)崿F(xiàn)256細分，有效地改善了步進電機的運行品質(zhì)。可以在應(yīng)用中根據(jù)實際情況選擇細分數(shù)。而由R2110和大功率MOsFET管組成的功率電路可以驅(qū)動大電壓、大電流的步進電機，具有快速完整的保護功能，極大地縮小了印制電路板尺寸。該系統(tǒng)簡單可靠，能夠用于大功率自動化設(shè)備中。
參考文獻
[1]宋受俊，劉景林，韓英桃，張智慧兩相混合式步進電機驅(qū)動器的優(yōu)化設(shè)計電氣傳動，2002 (2)：59_64
[2]孫興進，曹廣益，朱新堅步進電動機的****細分控制自動化與儀器儀表，2001，(1)：33_36
[3]王鵬飛，尤波基于L297／L298混合式步進電機驅(qū)動器的研制哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2003，(8)：40一43
【4】楚斌 R2110功率驅(qū)動集成芯片應(yīng)用 電子工程師I Jll2004． 10：33_35
[5]李玲娟多細分兩相混合式步進電機驅(qū)動器的研制[D]西北工業(yè)大學(xué)，2007
|
