三相混合式步进电机驱动器的设计
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【 关键词 】步进电机 ；控制器 ；信号调制
１ ． 引 言
三 相 混 合 式 步 进 电 机 驱 动 器 的 主 要 目标 是 控制 步 进 电机 的旋转 位 置 ，在 传 统 的控 制 中 ，对 于 步进 电机控 制位 置 角 的控 制 主要 由转 子 齿 数 以及 定子 极 对数 决 定 ， 但是 随 着 电力 电子控 制 技术 的进步 ， 以及 工业 控 制对 于 位 置控 制 的精 度 要求 不 断地 提 高 ，提 出 了对 原 有混 合 式步 进 电机 电流 再 细 分 的控 制 ，这 样 可使 得 电流 空 间 转角 的步 进 大大 减 小 ，达 到 控制 转 子转 角 （ 位 置 ）的 目的 。为 了完 成 这项 任 务 ，在 设 计
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啪 。
图１接收信号图
Ｉ ｎ Ｒ ４ ３
３ Ｋ＂ － Ｌ ｔ ， ｚ ｌ 蚰
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４ ７ ０ Ｋ
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槲
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图２输入细分数和电机 电流设定电路
图６信号调制 电路
２ ２ ０ ｕ Ｆ ／ ２
Ｉ Ｎ ４ ０ ０ ７
一 ’
过流或欠 压 反馈信号
８ Ｖ Ｓ ３ ７
０ ０ ｎ Ｆ
Ｃ ８
６ Ｌ Ｏ １
１ Ｏ Ｋ
超过５ ＾ 报警
Ｉ Ｎ ４ １ ４ ８ Ｒ ５ ３
Ｉ Ｏ Ｍ
图４ 三角波发生电路图
图５载波波形图
图７驱动 电路 图
这 样 就可 以通 过改 变开 关 电 阻就 能 决 定输 出参考 电压 。 ３ ． 信号调理 电路 信 号调理 电路是根 据参考 电压 以及从 电 机Ａ 、Ｂ 相处 电流传感器得到的 电流信号做Ｐ Ｉ Ｄ 控制输 出三相控制信 号 ，三相 控制 电压 与载 波信 号 （ 三角波调制 ） 产生三 路Ｐ ｗ Ｍ 信号 。Ｐ ｗ Ｍ 信号 再通过非 门产生三相低侧 信号 ，这样 就 产生 了六路信号提供给驱动 电路 。 ３ ． １三 角波发 生 电路 在 电路 中 一般 原理 都 是使 用 运 放产 生 载 波从 而生成Ｐ ｗ Ｍ 波 ，本 电路 中使 用的是 两 块 运放 形成 闭环反 馈得 到的Ｐ Ｗ Ｍ 波 ，调整 波 形 偏置 电路如 图４ 所示 。 信 号起 振 原理 如下 ：当左 侧 ｌ Ｏ 脚 电平 高 于９ 脚 电平 时 ，８ 脚输 出 电压为 高 电平 。 １ Ｎ ４ ７ ３ ９ 为１ ２ Ｖ 稳压 管输 出电压 稳在 １ ２ Ｖ ，而 Ｒ ４ ９ 、Ｃ ２ ４ 和 图右侧 运 放 构成 积分 电路 ； 当 电压 下 降￣ ｊ ｔ － Ｖ ｏ ｕ ｔ ，使 得 １ ０ 脚 的 电平 低 于９ 脚 这 时输 出 电压 为 负 电平 ，这时 输 出 电压 为 在一１ ２ Ｖ 。这 时积 分 电路 充 电 ， ｌ ４ ５ ５电平 升 高 ，当 输 出 电平到 达 Ｙ ｏ ｕ ｔ 时 ， 电平又 反 转 。载波 实际波形 如 图５ 所示。
ｌ 上ｃ ５
０ ｌ ｏ ｏ ｒ Ｉ Ｆ
图３ 电 压 的幅 值 囤
Ｖ Ｓ Ｉ ｌ
Ｏ 接 口需要有外 部 中断功 能，主 要用 于旋 转 脉 冲相 应 、故 障 中 断等 。控 制 器 电路 主 要 由单 片机组 成 。 接 收 信 号 主 要 是 由上 位 机 传 递 过 来 的 ，为 了抑制 对 上位 机 的 电磁 干扰 ，在 设 计 中采 用 光耦 作 为 电平 转 换 电路 。 设计 中 原先采用６ Ｎ ｌ ３ ７ 光 耦 ，它 有一 个 优 点就 是 能 够 有控 制 位 ／ 掩码 （ Ｍ ａ ｓ ｋ Ｂ ｉ ｔ ） 能够 屏 蔽信 号输 入 。但 是 ，每 片 芯片 只 集成 一 个 光 耦 ，而 输入 信 号共 有 三 路 ，这 样 需要 三 片 ， 电路 设计 中增加 了成 本和 空 间 ，因 此 改用 Ｔ Ｌ Ｐ ５ ２ 卜４ ，它一片集 成 了４ 个光 耦 ，提 高 集 成 度 ， 降低 了成 本 。它 与６ Ｎ １ ３ ７ 相比 较 只 是精 简 了控 制位 ，这 在本 设计 并 不 需 眦 Ｐ ㈣ 酉 啪 要 。但是 ，６ Ｎ １ ３ ７ 的带宽 上兆 ，而Ｔ Ｌ Ｐ ５ ２ １ 的 带 宽 只有 ５ Ｋ Ｈ ｚ 左右 。本系 的频 率 带宽 理 一嘴统 遥 眦 哪瞄 哪 Ⅲ 论 上 应该 要小 于 Ｉ Ｋ Ｈ ｚ 。接 收信 号 电路 图如 图１ 所 示 。值 得 注 意 的是 ：光 耦 输 出的 上 拉 电阻 需要 较大 ，因为 在 副边 三 极 管导 通 时 ，产生 的等 效 电阻较 大 ，这 样 会 影响 低 电平 电压 值 。 电流 细 分 控制 电路 是 利 用拨 码 开关 输 入 给单 片机 ， 由于单 片机 的控制 Ｉ ／ Ｏ 受限 ， 所 以只有设置 ２ 路 ，共４ 种细 分方法 。 图２ 为 输 入细分 数和 电机 电流 设定 电路 。 电机 电流 的 大小 能够 决 定 电机 最终 输 出转矩大小 ，而要使 电机 电流改变 ，则根据 中叙述 的要 调整参考 电压值 的大 小。而在本 方案 中需要 改变Ｄ ／ Ａ 参 考 电压 大小 ，这样 可 以改变输 出正弦电压的幅值 ，如 图３ 所示。 图３ 中所 用 的运放 都 是Ｔ Ｌ ０ ８ ４ 芯片 ， 内 部集 成４ 片双 极性 运放 ，结合 图３ 和和 图２ ， 则输入 电压大 小计算 公式为 ：
Ｉ 一 竣 廑 …………………………．
三相 混合 式步进 电机 驱动 器 的设计
江苏林洋 电子股份 有限公 司 季海涛 尹建丰 包海泉 万丽丽 施爱博
【 摘 要】本文提 出了一种三相混合式步进 电机驱 动器的设计 ，提 出了对 原有 混合式步进 电机 电流再细分 的控制 ，把整个控 制器分 为控制器 电路、信 号调 理电路 以 及三相 电机驱动 电路三部分组成。
中把 整 个三 相 混 合式 步 进 电机 驱 动器 分成 以下控 制 器 电路 、信 号 调 理 电路 以及 三相 电机 驱动 电路三个 功能模块 组成 。 ２ ． 控制器 电路 控 制 器 电 路 主 要 由 单 片 机 组 成 ， 用 于 接收 上 位机 发 送 的旋 转脉 冲 信 号 、转 向 信 号 以及 离合 器 信 号 （ 力矩 输 出或切 断 功 能 ） ， 控 制 混 合 电机 细 分 数 ， 和 电 流 大 小 ， 即输 出转 矩 。根 据 上位 机 发送 信 号 ， 发送 Ａ 、Ｂ 相 电流 参考 值 ； 断 电记 忆 当前位 置 ； 电机 过流 等 故 障诊 断和 处 理 ，在 设 计 中需要用 到大约 ２ ０ 个Ｉ ／ Ｏ口，其 中有 一些 Ｉ ／
１ ． 引 言
三 相 混 合 式 步 进 电 机 驱 动 器 的 主 要 目标 是 控制 步 进 电机 的旋转 位 置 ，在 传 统 的控 制 中 ，对 于 步进 电机控 制位 置 角 的控 制 主要 由转 子 齿 数 以及 定子 极 对数 决 定 ， 但是 随 着 电力 电子控 制 技术 的进步 ， 以及 工业 控 制对 于 位 置控 制 的精 度 要求 不 断地 提 高 ，提 出 了对 原 有混 合 式步 进 电机 电流 再 细 分 的控 制 ，这 样 可使 得 电流 空 间 转角 的步 进 大大 减 小 ，达 到 控制 转 子转 角 （ 位 置 ）的 目的 。为 了完 成 这项 任 务 ，在 设 计
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图６信号调制 电路
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过流或欠 压 反馈信号
８ Ｖ Ｓ ３ ７
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超过５ ＾ 报警
Ｉ Ｎ ４ １ ４ ８ Ｒ ５ ３
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图４ 三角波发生电路图
图５载波波形图
图７驱动 电路 图
这 样 就可 以通 过改 变开 关 电 阻就 能 决 定输 出参考 电压 。 ３ ． 信号调理 电路 信 号调理 电路是根 据参考 电压 以及从 电 机Ａ 、Ｂ 相处 电流传感器得到的 电流信号做Ｐ Ｉ Ｄ 控制输 出三相控制信 号 ，三相 控制 电压 与载 波信 号 （ 三角波调制 ） 产生三 路Ｐ ｗ Ｍ 信号 。Ｐ ｗ Ｍ 信号 再通过非 门产生三相低侧 信号 ，这样 就 产生 了六路信号提供给驱动 电路 。 ３ ． １三 角波发 生 电路 在 电路 中 一般 原理 都 是使 用 运 放产 生 载 波从 而生成Ｐ ｗ Ｍ 波 ，本 电路 中使 用的是 两 块 运放 形成 闭环反 馈得 到的Ｐ Ｗ Ｍ 波 ，调整 波 形 偏置 电路如 图４ 所示 。 信 号起 振 原理 如下 ：当左 侧 ｌ Ｏ 脚 电平 高 于９ 脚 电平 时 ，８ 脚输 出 电压为 高 电平 。 １ Ｎ ４ ７ ３ ９ 为１ ２ Ｖ 稳压 管输 出电压 稳在 １ ２ Ｖ ，而 Ｒ ４ ９ 、Ｃ ２ ４ 和 图右侧 运 放 构成 积分 电路 ； 当 电压 下 降￣ ｊ ｔ － Ｖ ｏ ｕ ｔ ，使 得 １ ０ 脚 的 电平 低 于９ 脚 这 时输 出 电压 为 负 电平 ，这时 输 出 电压 为 在一１ ２ Ｖ 。这 时积 分 电路 充 电 ， ｌ ４ ５ ５电平 升 高 ，当 输 出 电平到 达 Ｙ ｏ ｕ ｔ 时 ， 电平又 反 转 。载波 实际波形 如 图５ 所示。
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图３ 电 压 的幅 值 囤
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Ｏ 接 口需要有外 部 中断功 能，主 要用 于旋 转 脉 冲相 应 、故 障 中 断等 。控 制 器 电路 主 要 由单 片机组 成 。 接 收 信 号 主 要 是 由上 位 机 传 递 过 来 的 ，为 了抑制 对 上位 机 的 电磁 干扰 ，在 设 计 中采 用 光耦 作 为 电平 转 换 电路 。 设计 中 原先采用６ Ｎ ｌ ３ ７ 光 耦 ，它 有一 个 优 点就 是 能 够 有控 制 位 ／ 掩码 （ Ｍ ａ ｓ ｋ Ｂ ｉ ｔ ） 能够 屏 蔽信 号输 入 。但 是 ，每 片 芯片 只 集成 一 个 光 耦 ，而 输入 信 号共 有 三 路 ，这 样 需要 三 片 ， 电路 设计 中增加 了成 本和 空 间 ，因 此 改用 Ｔ Ｌ Ｐ ５ ２ 卜４ ，它一片集 成 了４ 个光 耦 ，提 高 集 成 度 ， 降低 了成 本 。它 与６ Ｎ １ ３ ７ 相比 较 只 是精 简 了控 制位 ，这 在本 设计 并 不 需 眦 Ｐ ㈣ 酉 啪 要 。但是 ，６ Ｎ １ ３ ７ 的带宽 上兆 ，而Ｔ Ｌ Ｐ ５ ２ １ 的 带 宽 只有 ５ Ｋ Ｈ ｚ 左右 。本系 的频 率 带宽 理 一嘴统 遥 眦 哪瞄 哪 Ⅲ 论 上 应该 要小 于 Ｉ Ｋ Ｈ ｚ 。接 收信 号 电路 图如 图１ 所 示 。值 得 注 意 的是 ：光 耦 输 出的 上 拉 电阻 需要 较大 ，因为 在 副边 三 极 管导 通 时 ，产生 的等 效 电阻较 大 ，这 样 会 影响 低 电平 电压 值 。 电流 细 分 控制 电路 是 利 用拨 码 开关 输 入 给单 片机 ， 由于单 片机 的控制 Ｉ ／ Ｏ 受限 ， 所 以只有设置 ２ 路 ，共４ 种细 分方法 。 图２ 为 输 入细分 数和 电机 电流 设定 电路 。 电机 电流 的 大小 能够 决 定 电机 最终 输 出转矩大小 ，而要使 电机 电流改变 ，则根据 中叙述 的要 调整参考 电压值 的大 小。而在本 方案 中需要 改变Ｄ ／ Ａ 参 考 电压 大小 ，这样 可 以改变输 出正弦电压的幅值 ，如 图３ 所示。 图３ 中所 用 的运放 都 是Ｔ Ｌ ０ ８ ４ 芯片 ， 内 部集 成４ 片双 极性 运放 ，结合 图３ 和和 图２ ， 则输入 电压大 小计算 公式为 ：
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三相 混合 式步进 电机 驱动 器 的设计
江苏林洋 电子股份 有限公 司 季海涛 尹建丰 包海泉 万丽丽 施爱博
【 摘 要】本文提 出了一种三相混合式步进 电机驱 动器的设计 ，提 出了对 原有 混合式步进 电机 电流再细分 的控制 ，把整个控 制器分 为控制器 电路、信 号调 理电路 以 及三相 电机驱动 电路三部分组成。
中把 整 个三 相 混 合式 步 进 电机 驱 动器 分成 以下控 制 器 电路 、信 号 调 理 电路 以及 三相 电机 驱动 电路三个 功能模块 组成 。 ２ ． 控制器 电路 控 制 器 电 路 主 要 由 单 片 机 组 成 ， 用 于 接收 上 位机 发 送 的旋 转脉 冲 信 号 、转 向 信 号 以及 离合 器 信 号 （ 力矩 输 出或切 断 功 能 ） ， 控 制 混 合 电机 细 分 数 ， 和 电 流 大 小 ， 即输 出转 矩 。根 据 上位 机 发送 信 号 ， 发送 Ａ 、Ｂ 相 电流 参考 值 ； 断 电记 忆 当前位 置 ； 电机 过流 等 故 障诊 断和 处 理 ，在 设 计 中需要用 到大约 ２ ０ 个Ｉ ／ Ｏ口，其 中有 一些 Ｉ ／