嵌入式技术 电 子 测 量 技 术 EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY 第32卷第2期2009年2月 基于集成芯片的步进电机驱动器设计韩 铮 张润和 王 冰 刘晓宇(内蒙古工业大学 呼和浩特 010051)摘 要:采用固定频率的PWM电路TL494和频压转换芯片L M2917设计了高性能的反应式步进电动机调频调压驱动电源。
分析了步进电动机调频调压原理,介绍了系统硬件电路及软件实现方法,使电机有效地抑制震荡,拓宽了其运行范围,提高了系统的可靠性。
关键词:步进电机;调频调压;脉宽调制;软件环分中图分类号:TP368.1 文献标识码:ADesign of the stepping motor driver based on integrated chipHan Zheng Zhang Runhe Wang Bing Liu Xiaoyu(Inner Mongolia Polytechnic University,Inner Mongolia,Hohhot010051)Abstract:The high2performance driving power of stepping motor based on a fixed f requency PWM circuit TL494and a voltage2f requencyconverter circuit L M2917.The principle Frequency Modulation and Voltage Modulation of stepping motor were analyzed in paper.It mainly introduced hardware circuit design and software program implementation method of this system,this method can effectively reduce the concussion and keep the torques constant of the Reaction Stepper Motor,the approach improves the system reliability.K eyw ords:stepping motor;f requency modulation and voltage modulation;PWM;software circular2allotting0 引 言步进电机作为一种数字电机,是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。
控制系统每送来一个电脉冲,步进电机的转子就转过一个相应的角度[1]。
转子角位移的大小和转速分别与电脉冲的个数及其频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步。
由于步进电机具有定位精度较高,无位置累积误差,控制简单,易于实现开环控制等优点,其在工业上用途很广[2]。
本文基于专用脉宽调制电路实现了对步进电机的调频调压控制。
控制简便易行,有效地降低了低频震荡并解决了高频时输出力矩不足的问题。
1 调频调压原理步进电动机作为一种变磁阻式电机,励磁电流在一定程度上决定了输出力矩的大小。
当电机运行较慢时,绕组电流可以达到稳态值,可能由于电流较大引起震荡。
反之,电机运行速度加快,由于绕组电流的上升时间变短,导致了绕组电流减小,进而使得输出力矩不足造成失步[3]。
如果根据电机运行频率高低来改变绕组上所加电压的高低,低频时用低压驱动,可以有效地抑制低频震荡,随着频率升高提高电压,使高频时有更大的输出转矩,这样可以同时改善高低频率时的运行特性,并拓宽其运行频率范围。
2 控制系统的硬件电路步进电机驱动控制系统硬件原理图如图1所示。
图1 步进电机驱动控制系统硬件原理图系统应用单片机A T89S52为控制芯片,同时为频压转换电路和PWM调制电路提供频率信号和环分信号。
在绕组通电期间,用斩波的方式给绕组施加电压,可以通过改变所加电压占空比达到调压的目的[4]。
开关管驱动信号由频率电压转换电路输出的电压给定值与锯齿波比较得到。
频压转换电路输出电压的大小由输入频率的变化调节,使得PWM电路输出控制脉冲的占空比随脉冲频率的增大而增大,实现调频调压功能。
2.1 脉宽调制电路的设计脉宽调制电路是驱动电源的关键环节,本设计采用具有固定斩波频率的脉宽调制芯片TL494。
脉宽调制电路・511・ 第32卷电 子 测 量 技 术设计原理图如图2。
TL494内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节,其振荡频率:f o sc =1.1/(R T ×C T );输出脉冲的宽度是通过电容C T 上的正极性锯齿波电压与另外2个控制信号进行比较来实现,一路是死区时间控制信号由4脚输入,另一路控制信号由3脚输入,即只有在锯齿波电压大于控制信号电压期间才会被选通。
图2 TL494脉宽调制电路原理图 某相绕组环分信号通过三极管与死区时间控制脚相连,低电平时,三极管关断,3脚位于高电平,则不输出PWM 信号,使开关管关断。
高电平时,三极管导通,死区时间控制为低电平,PWM 信号仅由3脚的电压与锯齿波比较得到,当电压从0.5V 变化到3.5V 时,输出的脉冲宽度从最大导通百分比下降到零。
2.2 频压转换电路的设计此部分采用单片集成频率-电压转换器L M2917,如图3所示,脉冲信号由1脚输入,2脚接充电泵的定时电容;3脚连接充电泵的输出电阻和积分电容;7脚为运算放大器的反相输入端;4脚为输出。
定时电容C 1在电压差为V CC /2的两电压值之间被线性地充电或放电,在输入频率信号的半周期中,定时电容上的电荷变化量为:C 1・V CC /2,图3 L M2917频率电压转换电路原理图泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为:ΔQ/T =i C (AV G )=f IN ・C 1・V CC ;输出电路把这一电流准确地送到负载电阻(输出电阻)R 中,R 电阻的另一端接地,这样脉冲式的电流被滤波电容积分,得到输出电压:V O =V CC ・f IN ・C 1・R 1・K;K为增益常数。
电容C 2的值取决于纹波电压的大小和实际应用中需要的响应时间。
2.3 驱动电路及主电路的设计驱动电路采用高压高速的功率MOSFET 和IG B T 专用驱动芯片IR2110,其开关延时仅10ns ,可以更大地减少对电斩波信号的影响。
其原理图如图4所示。
图4 IR2110驱动电路原理图・611・ 韩 铮等:基于集成芯片的步进电机驱动器设计第2期PWM 斩波信号经IR2110后送给MOSFET 管控制K 1,K 2同时通断,主电路的设计采用每相绕组单独控制,如图5所示当双管关断时,由于电机绕组的感性,电流不会马上消失,此时使得快恢复二极管D 1,D 2开通,为绕组施加反相电压,加快绕组电流下降,进而改善绕组电流波形。
图5 主电路电路原理图3 系统软件的设计步进电动机的软件控制就是利用单片机实现步进电机脉冲分配及定位控制,速度控制等。
本系统采用A T89S52单片机为核心,采用查表法实现电机的脉冲分配[5]。
以三相电动机单双混合6拍为例说明其原理。
其绕组通电顺序为A 2AB 2B 2BC 2C 2CA 2A ,以单片机的P1.0,P1.1,P1.2引脚为输出端分别控制A ,B,C 三相绕组。
定时器T1定时中断方式依次查表获得输出信号,控制状态字表如表1所示。
表1 混合六拍环分状态字拍数通电相数二进制状态字十六进制状态字1A 0000000101H 2AB 0000001103H 3B 0000001002H 4BC 0000011006H 5C 0000010004H 6CA0000010105H 图6 步进电机脉冲分配子程序流程图电动机正转时由依次取拍数1到6状态字依次送P1口,反转时将6到1状态字依次送P1口,电机的速度由脉冲频率决定,改变电机速度只需将定时器中的预置数改变即可,脉冲分配子程序流程图如图6所示。
4 实验结果本设计的驱动器驱动一台额定电压15V ,额定电流0.6A 的两相混合式步进电机,所测矩频特性曲线如图7所示。
图7 矩2频特性曲线5 结 论本文提出的高性能调频调压驱动电源,可以更好的解决低频震荡和高频出力不足的问题,同时实现了调频调压和电路闭环反馈斩波恒流的功能。
可以使步进电动机长时间可靠,稳定运行。
参考文献[1] 闫贵军.提高步进电机步距精度的研究[J ].国防科技大学学报,1994,162.[2] 史敬灼,王宗培.步进电动机驱动控制技术的发展[J ].微特电机,2007,(7):54258.[3] 王宗培.步进电动机及其控制系统[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1986.[4] 汪建宇,唐琦.调频调压式步进电动机驱动电源[J ].仪表技术,2002,(6):38239.[5] 付云强,宋凤娟,韩来吉.AT89C51单片机在步进电动机控制系统中的应用[J ].煤矿机械,2007,28(8):91291.[6] 郭宏,王宏霞.TL494在五相混合式步进电动机驱动器中的应用[J ].微特电机,1998,(4):42.[7] 王晓初.步进电机自动升降速及其单片机控制[J ].微特电机,1998(2):23.[8] A3972Dual Dmos Full 2Bridge Micro 2stepping PWMMotor Driver[Z].Allegro Microsystems ,2000.作者简介韩铮(1983—),男,内蒙古赤峰市,研究生,内蒙古工业大学,电力电子与电力传动专业。
E 2mail :han3100@张润和,男,副教授,内蒙古工业大学,从事电力电子与电力传动方向的研究。
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