一种三相反应式步进电机驱动器设计方法

摘 要：介绍了三相反应式步进电机驱动器的一种设计方法。将LM331接成电压/频率（V/F）转换方式，使输入控制电压转换成一定宽度的脉冲信号，利用PMM8713将输入脉冲信号分配成一定相序的控制步进电机各相通断的脉冲信号，通过功率驱动电路来驱动三相反应式步进电机工作。

关键词：步进电机；LM331芯片；PMM8713芯片；功率驱动？

1引言

随着运动控制系统中数字化技术的发展与成熟，步进电机在工业自动化控制中得到广泛的应用。步进电机是一种完成数字/模拟转换的执行元件。步进电机区别于其他控制用途电动机的最大特点是，步进电机接收数字控制信号（电脉冲信号），并将这些脉冲信号转换成与之相对应的角位移或直线位移。步进电机另一重要的特点是其必须与相应的驱动电路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和实际参数。因此，步进电机驱动电路的设计是步进电机控制系统中的关键部分。本文主要介绍三相反应式步进电机驱动器的一种实用电路，该驱动电路的系统框图如图1所示。

2脉冲分配器PMM8713

PMM8713是由日本Sanyo（三洋）电机公司生产的步进电机控制用的脉冲分配器（又称逻辑转换器），为双列直插式16脚单片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。励磁有1相、2相和1-2相三种方式，通过电路设计可任选其中一种激励方式。此外，PMM8713还具有单时钟或双时钟工作方式，带有正反转控制功能以及初始化复位功能。其内部有（1）时钟选通，（2）激励方式控制，（3）可逆环形计数，（4）激励方式判断等电路。PMM8713所有输入端均采用施密特整形电路，因此抗干扰能力强。输出电流大于20mA，可直接驱动微型步进电机。引脚如图2所示。各引脚功能说明：CＵ（ＰＩＮ１）、ＣＤ（ＰＩＮ２）是双时钟工作的时钟输入端。CＵ端接正转时钟；CＤ端接反转时钟。CK（PIN3）为单时钟输入端，此时步进电机的正反转由U/D（PIN4）脚来控制。在电路处于单时钟输入控制的前提下，当U/D=高电平时，则输出端输出正转脉冲序列；当U/D=低电平时，则输出端输出反转脉冲序列。EＡ（ＰＩＮ５）和EＢ（ＰＩＮ６）为激励方式选择端。EＡＥＢ＝００时，为双激励方式；EＡＥＢ＝１１时，为1-2相激励方式；EＡＥＢ＝０１或10（即两电平相反）时，为单激励方式。3/4（PIN7）为三相或四相选择控制端。当该脚=0时，为三相输出；当该脚=1时，为思想输出，通过该脚可以选择控制三相或四相步进电机。A～D（PIN13～10）为4个相驱动端。3相用A～C（D=0），4相用A～D端。EM（PIN14）是激励方式状态标志。双激励方式该端输出为高电平；单激励方式该端输出为低电平；1-2相激励时该端输出两倍时钟周期的脉冲。C？0（PIN15）为输入时钟检测端。当该电路有时钟脉冲输入时，在C０端可输出同步于时钟的脉冲。R（PIN9）为复位控制端，加低电平使输出端A～D复位为表1所示的初始状态。（其中0表示低电平，1表示高电平）。？

3电压-频率变换器LM331

LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图3所示。

LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40V，输出也高达40V。IＲ（PIN1）为电流源输出端，在f０（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源ＩＲ输出对电容ＣＬ充电。引脚2（PIN2）为增益调整，改变ＲＳ的值可调节电路转换增益的大小。f０（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Ｒt和Ｃt决定。引脚4（PIN4）为电源地。引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。引脚8（PIN8）为电源正端。？

4驱动器系统电路

驱动器系统电路由电压-频率变换电路LM331、脉冲分配器PMM8713和四电路通用运算放大器LM348等构成，如图4所示。外接电阻Rt、电容Ct、内部定时比较器、复零晶体管和R-S触发器等构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入的电压大于Ｖi-输入端的电压时，f０输出逻辑低电平。同时，电流源ＩＲ对电容ＣＬ充电。电源ＶＣＣ也通过电阻Ｒt对电容Ｃt充电。当电容Ｃt两端的充电电压大于ＶＣＣ的2/3时。输出端f？0输出为逻辑高电平。此时，电容Cr通过内部电路放电；ＣＬ对电阻ＲＬ放电。当ＣＬ放电电压等于输入电压Ｖi时，输入比较器再次输出高电平，f０输出逻辑低电平。如此反复循环，构成自激振f０荡。根据电容上电荷平衡原理和相关的电学知识，我们可以推导出：f０＝Ｖi/（t１ＩＲＲＬ）。t１为充电时间，由定时元件Ct和Rt决定；IＲ为内部精密电流源输出电流。可得出输出频率f0和输入电压Vi成正比。从而由运动控制系统输出的可变电压信号经PMM8713变换后产生可变的频率信号，控制步进电机的转速。

方向控制电路由LM348四电路通用运算放大器构成。外部方向控制信号通过LM348和基准电压构成电压比较电路。当Vdi大于基准电压ＶＨ时，U3A输出为正，接至PMM8713的第四脚，控制输出端输出正相脉冲序列。当Ｖdi小于基准电压ＶＨ时，输出端为负，接至PMM8713的第四脚，控制输出端输出负相脉冲序列，相应相驱动输出端输出正反相脉冲序列，从而控制步进电机的正反转。

由LM331给出的输入指令是输入时钟f０和方向指令DIR，这两个指令在PMM8713中经逻辑组合转换各相通断的时序逻辑信号。PMM8713的相驱动输出端（PIN10～PIN13）的驱动电流达20mA以上，能直接驱动微型步进电机。Ｒ１、Ｃ１为开机时自动初始化电路。初上电的数十毫秒内R端为低电平，从而A～D端自动复位至初始状态（参见表1）。如果外接的步进电机功率较大，PMM8713输出驱动端驱动能力不够。此时应设计功率放大驱动电路，然后再驱动步进电机。PMM8713各相输出端的导通顺序逻辑信号送至功率驱动段转换成内部功率开关的基极（或栅极）驱动信号。步进电机驱动方式，按相绕组流过的电流是单向或双向，可分为单极性和双极性驱动。通常，三相步进电机采用单极性驱动。从功率驱动级电路来分析，又有电压驱动和电流驱动之分。本设计中采用串联电阻电压驱动方式。在相绕组中串接一定阻值和功率的电阻，一方面减小了绕组回路的时间常数，同时又对低频和静止工作时的电流进行限制。

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5结束语

根据上述电路设计的步进电机驱动器结构简单、成本低、性能稳定。采用此系统设计的三相反应式步进电机驱动器驱动55BF004型三相反应式步进电机，已成功地应用在小距离驱动和位置跟踪等设置中，运行效果良好。