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实用的步进电机驱动电路(图)
概述
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
目前,对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。
本设计选用第三种方案,用PMM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A两相或四相功率驱动器,组成四相步进电机功率驱动电路,以提高集成度和可靠性,步进电机控制框图见图1。
图1 步进电机控制系统框图
硬件简介
●PMM8713原理框图及功能
PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器,适用于控制三相或四相步进电机。
控制三相或四相步进电机时都可以选择3种励磁方式,每相最小吸入与拉出电流为20mA,它不仅满足后级功率放大器的输入要求,而且在其所有输入端上均内嵌施密特触发电路,抗干扰能力强,其原理框图如图2所示。
图2 PMM8713的原理框图
在PMM8713的内部电路中,时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入发。
PMM8713有两种脉冲输入法:
双脉冲输入法和单脉冲输入法。
采用双脉冲输入法时,CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。
当采用单脉冲输入时,步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。
激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。
激励方式判断电路用于输出检测;而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。
●SI-7300A的结构及功率驱动原理
SI-7300A是日本三青公司生产的高性能步进电机集成功率放大器,该器件为单极性四相驱动,采用SIP18封装。
步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式。
电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路,也是最常用的高性能驱动方式,其中一相的等效电路图如图3所示。
图3 LM331电压/频率变换电路
●LM331芯片
LM331是美国国家半导体公司生产的双列直插式8脚芯片,只需接入几个外部元件就可以方便地构成电压/频率(V/F)变换电路,电路如图4所示。
图4 四相步进电机功率驱动电路
LM331的输出频率和输入电压存在如下关系:
f0=Vi/(IRt1RL),其中t1由外接的定时元件Rt和Ct决定,t1=1.1RtCt,IR由内部精密电流源提供,IR=1.9V/RS。
故f0=ViRS/(2.09RtRLCt)。
RS为可调电阻,它的作用是调整LM331的增益偏差。
Ct为滤波电容,一般为 0.01~0.1μF,在滤波效果较好的情况下,可使用1μF的电容。
为了提高精度和稳定度,组容元件选用低温度系数的器件。
应用举例
用PMM8713步进电机环形分配器与SI7300A步进电机功率放大器设计了一个四相步进电机功率驱动电路,PMM8713采取单脉冲输入、1-2相励磁方式,电路如图5所示。
图中PD控制端为SI7300A的输入电流I0调节端,可悬空或接高电平,接高电平时可适当提高SI7300A的输出电流I0,在本应用系统中悬空使用。
图中PMM8713的时钟脉冲输入信号由LM331(V/F)输出,方向控制信号和步进电机的起停信号由窗口比较电路给出。
图5 窗口比较电路
窗口比较电路为步进电机提供方向控制信号和步进电机的起停控制信号,电路如图6所示。
其中,U1、U2为数控等离子切割机弧压的上、下限电压,Ui为检测到的弧压。
当Ui>U1,V3输出为高电平,V4输出为低电平,V5输出为高电平;当U2 将V3输出或V4输出作为步进电机的方向控制信号,V5作为步进电机的起停控制信号。 脉冲控制信号由LM331输出信号提供。 方向控制信号V3或V4输出端接PMM8713的C/D,控制步进电机的正反转;U5输出端接PMM8713的复位端R,控制步进电机的起停。 LMM331(V/F)输出端f0接PMM8713的CK,为步进电机提供脉冲控制信号。 由此可见,当U2 结束语 该驱动电路被用于数控等离子切割机弧压自动调高系统中,系统中的电机是42BYG009型混合式步进电机,驱动电压为直流24V。 通过实践证明该步进电机功率驱动电路控制系统结构简单、性能稳定、效率高、矩频特性好,可广泛应用于小型机电一体化设备中。 1.步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。 只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。 图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图1四相步进电机步进示意图 开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。 而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极 产生错齿。 依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。 单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。 八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示: 图2.步进电机工作时序波形图 图3步进电机驱动器系统电路原理图 AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出,经74LS14反相后进入9014,经9014放大后控制光电开关,光电隔离后,由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大,驱动步进电机的各相绕组。 使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。 图中L1为步进电机的一相绕组。 AT89C2051选用频率22MHz的晶振,选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。 图3中的RL1~RL4为绕组内阻,50Ω电阻是一外接电阻,起限流作用,也是一个改善回路时间常数的元件。 D1~D4为续流二极管,使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1~D4)而衰减掉,从而保护了功率管TIP122不受损坏。 在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。 与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。 3.软件设计 该驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择: 方式1为中断方式: P3.5(INT1)为步进脉冲输入端,P3.7为正反转脉冲输入端。 上位机(PC机或单片机)与驱动器仅以2条线相连。 方式2为串行通讯方式: 上位机(PC机或单片机)将控制命令发送给驱动器,驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。 方式3为拨码开关控制方式: 通过K1~K5的不同组合,直接控制步进电机。 当上电或按下复位键KR后,AT89C2051先检测拨码开关KX、KY的状态,根据KX、KY的不同组合,进入不同的工作方式。 以下给出方式1的程序流程框图与源程序。 在程序的编制中,要特别注意步进电机在换向时的处理。 为使步进电机在换向时能平滑过渡,不至于产生错步,应在每一步中设置标志位。 其中20H单元的各位为步进电机正转标志位;21H单元各位为反转标志位。 在正转时,不仅给正转标志位赋值,也同时给反转标志位赋值;在反转时也如此。 这样,当步进电机换向时,就可以上一次的位置作为起点反向运动,避免了电机换向时产生错步。 图4方式1程序框图 方式1源程序: MOV20H,#00H;20H单元置初值,电机正转位置指针 MOV21H,#00H;21H单元置初值,电机反转位置指针 MOVP1,#0C0H;P1口置初值,防止电机上电短路 MOVTMOD,#60H;T1计数器置初值,开中断 MOVTL1,#0FFH MOVTH1,#0FFH SETBET1 SETBEA SETBTR1 SJMP$ ;***********计数器1中断程序************ IT1P: JBP3.7,FAN;电机正、反转指针 ;*************电机正转***************** JB00H,LOOP0 JB01H,LOOP1 JB02H,LOOP2 JB03H,LOOP3 JB04H,LOOP4 JB05H,LOOP5 JB06H,LOOP6 JB07H,LOOP7 LOOP0: MOVP1,#0D0H MOV20H,#02H MOV21H,#40H AJMPQUIT LOOP1: MOVP1,#090H MOV20H,#04H MOV21H,#20H AJMPQUIT LOOP2: MOVP1,#0B0H MOV20H,#08H MOV21H,#10H AJMPQUIT LOOP3: MOVP1,#030H MOV20H,#10H MOV21H,#08H AJMPQUIT LOOP4: MOVP1 #070H MOV20H,#20H MOV21H,#04H AJMPQUIT LOOP5: MOVP1,#060H MOV20H,#40H MOV21H,#02H AJMPQUIT LOOP6: MOVP1,#0E0H MOV20H,#80H MOV21H,#01H AJMPQUIT LOOP7: MOVP1,#0C0H MOV20H,#01H MOV21H,#80H AJMPQUIT ;***************电机反转***************** FAN: JB08H,LOOQ0 JB09H,LOOQ1 JB0AH,LOOQ2 JB0BH,LOOQ3 JB0CH,LOOQ4 JB0DH,LOOQ5 JB0EH,LOOQ6 JB0FH,LOOQ7 LOOQ0: MOVP1,#0A0H MOV21H,#02H MOV20H,#40H AJMPQUIT LOOQ1: MOVP1,#0E0H MOV21H,#04H MOV20H,#20H AJMPQUIT LOOQ2: MOVP1,#0C0H MOV21H,#08H MOV20H,#10H AJMPQUIT LOOQ3: MOVP1,#0D0H MOV21H,#10H MOV20H,#08H AJMPQUIT LOOQ4: MOVP1,#050H MOV21H,#20H MOV20H,#04H AJMPQUIT LOOQ5: MOVP1,#070H MOV21H,#40H MOV20H,#02H AJMPQUIT LOOQ6: MOVP1,#030H MOV21H,#80H MOV20H,#01H AJMPQUIT LOOQ7: MOVP1,#0B0H MOV21H,#01H MOV20H,#80H QUIT: RETI END 希望以上资料对你有所帮助,附励志名3条: 1、积金遗于子孙,子孙未必能守;积书于子孙,子孙未必能读。 不如积阴德于冥冥之中,此乃万世传家之宝训也。 2、积德为产业,强胜于美宅良田。 3、能付出爱心就是福,能消除烦恼就是慧。
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