步进电机驱动电路原理图讲解_物理_自然科学_专业资料。步进电机驱动电路原理图讲解

　　步进电机驱动电路原理图讲解 双极性步进电机的驱动电路如图所示，它会使用八颗晶体管来驱动 两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机， 虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应 用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路 的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体 管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承 受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专 用的步进电动机驱动器，如图 2 所示，它由脉冲发生控制单元、功率 驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微 机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电 动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。 图 2 步进电动机驱动控制器 1.单电压功率驱动接口 实用电路如图 3 所示。在电机绕组回路中串有电阻 Rs，使电机 回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电 机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压 驱动线路中，Rs 是不可缺少的。Rs 对步进电动机单步响应的改善如 图 3(b)。{{分页}} 图 3 单电压功率驱动接口及单步响应曲线 双电压功率驱动接口 2.双电压功率驱动接口 双电压驱动的功率接口如图 4 所示。双电压驱动的基本思路是在 较低（低频段）用较低的电压 UL 驱动，而在高速（高频段）时用较 高的电压 UH 驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh 为高压有效 控制信号，U 为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管 TH 和二极管 DL 构成电源转换电路。当 Uh 低电平，TH 关断，DL 正偏置，低电压 UL 对绕组供电。反之 Uh 高电平，TH 导通，DL 反偏，高电压 UH 对绕 组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功 耗减小。 3.高低压功率驱动接口 图 5 高低压功率驱动接口 高低压功率驱动接口如图 5 所示。高低压驱动的设计思想是，不 论电机工作频率如何，均利用高电压 UH 供电来提高导通相绕组的电 流前沿，而在前沿过后，用低电压 UL 来维持绕组的电流。这一作用 同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻 Rs，消除了附 加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号 Uh 和 Ul，它们 应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图 5 所示。图中，高压管 VTH 的导通时间 tl 不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载； 太小时，动态性能改善不明显。一般可取 1~3ms。（当这个数值与电 机的电气时间常数相当时比较合适）。{{分页}} 4.斩波恒流功率驱动接口 恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、 低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这 是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图 6 是斩波恒流功率接 口原理图。图中 R 是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。 当电流不大时，VT1 和 VT2 同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给 定的数值，VT2 被封锁，电源 U 被切除。由于电机绕组具有较大电感， 此时靠二极管 VD 续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能 量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。 当电流小于恒流给定的数值，VT2 导通，电源再次接通。如此反复， 电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿 波，如图 6 所示。 图 6 斩波恒流功率驱动接口 斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中 u1 是数字 脉冲，u2 是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高， 接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应 的集成功率模块可供采用。 5.升频升压功率驱动接口 为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动 接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它 的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱 动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输 入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。 6.集成功率驱动接口 目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路 可供选用。 L298 芯片是一种 H 桥式驱动器，它设计成接受标准 TTL 逻辑电 平信号，可用来驱动电感性负载。H 桥可承受 46V 电压，相电流高达 2.5A。L298(或 XQ298，SGS298)的逻辑电路使用 5V 电源，功放级使 用 5~46V 电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。 L298(等)采用 15 脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部 结构如图 7 所示。H 桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反 两个方向通电。L298 特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。 {{分页}} 图 7 L298 原理框图 与 L298 类似的电路还有 TER 的 3717，它是单 H 桥电路。SGS 的 SG3635 则是单桥臂电路，IR 的 IR2130 则是三相桥电路， Allegro 则有 A2916、A3953 等小功率驱动模块。 图 8 是使用 L297(环形分配器专用芯片)和 L298 构成的具有恒流 斩波功能的步进电动机驱动系统。
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