维普资讯 第 ３期 ２０ ０ ６年 ６月 工 矿 自 动 化 Ｎ０ ３ ． Ｉ ｄ ｓ ｒ ｎ ｉ ｅ Ａｕ ｏ ｔｏ ｎ ｕ ｔ ｙ ａ ｄ Ｍ ｎ ｔ ｍａ ｉ ｎ Ｊｎ ０６ ｕ ．２ ０ 文章 编号 ：６ １ ５ Ｘ（ ０ ６ ０ 一Ｏ ８ 一０ １ ７ —２ ｌ ２ ０ ） ３ ｏ Ｏ ３ 一 种实用的三相步进电 机驱动器的设 计 张金 波 辛 宇。 曹爱 华 ， ， （． １河海 大学 计算 机及 信 息工 程学 院 ， 常州 ２ ３２ ； １０２ ２ 安 阳师范 学院 物理 系 ， 南 安 阳 ． 河 ４ ５０ ） ５ ０ ０ 摘要 ： 用 Ｐ 利 ＭＭ８ １ ７ ３和 Ｌ ３ 设 计 了一种 实用的 步进 电机 驱 动 器 ， Ｍ３ １ 着重 介 绍 了驱 动 嚣 系统 电路 及 控 制原 理 。 关键 词 ： 步进 电机 ；驱动 嚣 ；Ｐ ＭＭ８ １ ； Ｍ３ １ ７ ３ Ｌ ３ 中 图分类 号 ： Ｐ ９ Ｔ ３ ０ 引言 文献标 识 码 ： Ｂ １ 应 用 器件 简 介 １１ Ｐ Ｍ８ １ ． Ｍ ７ ３芯 片 步进 电机 又 称 脉 冲 电动 机 或 阶跃 电动 机 ， 较 是 早使 用 的典 型机 电 一 体 化 元件 组 件 例 如 ， 机 械 在 装置 中可 以用 丝 杠 把角 度 变 成 直 线 位 移 ， 可 以用 也 步进 电机带动 螺 旋 电位器 ， 调节 电压 或 电流 ， 而实 从 现对 执行 机构 的 控制 。步 进 电机可 以 直接接 收数 字 信 号 ， 必进 行数 模 转 换 ， 用 起 来 非 常 方 便 ， 阀 不 使 在 门控 制 、 数控 机床 、 图仪 、 印 机 以 及光 学 仪 器 中 绘 打 得到 广泛 的应 用 。 步进 电机 、 步进 电机 驱 动 器 构 成 了步进 电机 系 统 不 可 分 割 的 两 大 部 分 。本 文 介 绍 一 Ｐ ＭＭ８ １ ７ ３是 由 日本 Ｓ ｎ ｏ 三 洋 ） ａｙ （ 电机 公 司生 产 的 步 进 电 机 控 制 用 脉 冲 分 配 器 （ 称 逻 辑 转 换 又 器） 为双 列 直插 式 １ ， ６脚 单 片 Ｃ ＭＯＳ集 成 芯 片 。 Ｐ ＭＭ８ １ ７ ３既 可 以用 于 ３相 控 制 ， 可 以用 于 ４相 又 控制 。励 磁 有 １相 、 ２相 和 １ —２相 ３种 方式 ， 过 通 电路 设 计 可 任 选 其 中 的 一 种 激 励 方 式 。 此 外 ， Ｐ ＭＭ８ １ 具 有 单 时 钟 或 双 时 钟 工 作 方 式 ， 有 ７ ３还 带 正反 转控 制 功能 以及 初 始 化 复位 功 能 ， 内部 有 时 其 钟选 通 、 激励 方式 控 制 、 可逆 环 形 计 数 、 励 方 式 判 激 断等 电路 。 种 实用 的三 相反 应式 步进 电机驱 动 电路 的设计 。 因为 Ｐ ＭＭ８ １ ７ ３所 有输 入端 均采 用施 密特 整 形 收 稿 日期 ： ０ ６ ２ ０ 一Ｏ — ２ ２ ３ 电路 ， 因此 抗 干扰 能 力 强 。输 出 电 流 大 于 ２ Ｏ ｍＡ， 考虑 结 构 的简 化 和低 成本 设 计 ， ８ Ｃ ０ １作 用 ９ ２５ 为波 形发 生 器 ， 不可 能 产生理 想 的正 弦波 ， 只能 用近 似 的正 弦波 作 为输 出 。在 电 机高 转 速 运 行 时 ， 由于 表２ １ Ｐ 口的输出代码 输 出波 形 的频率 高 ， 高次谐 波 的要求 不 严格 ， 对 对各 ＭＯＳ功率 管 的 控制 可 以用 矩 形 波 代 替 正 弦 波 。但 在低 转 速运 行 时 ， １ 用 ２个状 态模 拟的 正 弦波显 然不 能满 足要求 。为 了得 到 形 状 较好 的 正 弦波 ， 在 控 可 制信 号 上采 用脉 宽 调制 （ ＷＭ ） Ｐ 技术 。 正 弦波 调制 将 在一 个频率 和幅值 固定 、 宽变 化的信 号 上 。 脉 参考文 献： ［］ 刘 美俊． １ 通用 变频器 应 用技术 ［ ． 州 ： Ｍ］ 福 福建 科学 技 术 出 版 社 ，０ ５ ２０． ［］ 曾 毅． ２ 变频 调速控 制 系统 的设计 与维护 ［ ］ 济南 ： Ｍ１ ． 山东 科 学 技 术 出 版 社 ，０ ３ ２０ 维普资讯 ２０ ０ ６年 第 ３期 张金 波 等 ： 一种 实用的 三相 步进 电机 驱动 器的设 计 ?８ ? １ 可直接 驱 动微型 步进 电机 。逻辑 框 图如 图 １所示 。 时 钟 选 通 外 接 阻 容 Ｒ 、 和 内部 电路 构 成单 稳 定 时 电 ｃ 路 。 当输 入 端 Ｖｉ输 入正 电 压 时 ， ｉ大 于 一， ＋ Ｖ＋ 激励 判断 可 逆环行 输入 比较器输 出高 电平 ， Ｓ触 发器 置 位 ， 出 高 Ｒ— 输 电平 使 输 出驱 动管导 通 ， 而第 ３脚 － 输 出逻辑 低 从 ０ 电平 。 同时 ， 流源 对 电容 Ｃ 电 充 电 。由于 复 零 激励方式控制 计数器 晶体 管 的基 极 接 在 Ｒ—Ｓ触 发 器 的反 相 输 出端 ， 因 此， 复零 晶体 管 截 止 ， 源 Ｖ 电 通 过 电 阻 Ｒ 对 电 容 Ｃ 充 电 。当 Ｕｃ大 于 ２ ３Ｖ。 ， 时 比较 器输 入 端 ． ／ 定 时 图 １ ＰＭ Ｍ ８ １ ７ ３逻 辑 框 图 １ ２ ＬＭ ３ １芯 片 ． ３ Ｌ ３ Ｍ３ １是美 国 ＮＳ公 司生 产 的 性 能 价 格 比较 （ ５脚 ） 第 为正 ， 而输 出 逻 辑 高 电 平 至 Ｒ—Ｓ触 发 因 器 的复位端 ， Ｒ—Ｓ触发 器 复位 。Ｒ—Ｓ触发 器 正 使 相输 出端输 出低 电平使输 出驱 动 管截 止 ， ａ通过 上 Ｖａ 拉 电阻 Ｒ。使 Ｌ ３ Ｍ３ １第 ３脚 ． ０输 出逻 辑 高 电平 。 此时 ， Ｒ—Ｓ触 发器反 相输 出端 输 出高 电平 使 复零 晶 体管 导通 ， 电容 Ｃ 通 过复零 晶体 管对 地放 电 。电流 开关 打 向左边 ， 电容 Ｃ 通过 电阻 Ｒ 对 地 放 电 。当 电容 Ｃ 放 电电压 等 于输 入 比较 器 的正 输入 端 电 压 高 的集成 芯片 。Ｌ ３ Ｍ３ １可用作精 密 的频 率 电压 （ ／ Ｆ Ｖ） 换器 、 Ｄ转换 器 、 转 Ａ／ 线性频率 调 制解 调 、 时 间 长 积 分器 以 及其 它 相 关 的器 件 。Ｌ ３ Ｍ３ １为 双列 直 插 式 ８脚 芯片 ， 逻辑 框 图如 图 ２ 示 。 其 所 精密 电流源 电路 比较 器 ＼ ７ 一 侗 置 电精 电流开关 ｌ —＿ ＝ —１ Ｉ Ｒｌ １ ＲＳ — 触发器 ５ Ｖｉ ， 入 比较器 再次输 出高 电平 ， Ｒ—Ｓ触 发器 时 输 使 能 隙 置位 ， 出驱 动 管 导 通 ， 。 出逻 辑 低 电平 。如此 输 ＿ 输 基准电路 参考 电压 反 复循 环 ， 而在 端 输 出 一定 频率 的脉 冲信 号 。 从 根 据 电容上 电荷 平衡 原 理 和 相关 电学 知 识 ， 电 容 设 的充 电 时 间为 ｔ， 电 时 间为 ｔ。 由 Ｃ—Ｑ／ 一 放 Ｕ， Ｑ／， Ｑ放＝Ｑ克， 以得 至放ｔ一 ｔ一ＵＬ Ｒ 一 可 ０ ２ 克 １ ２ ／Ｌ 复晶管 零 体 Ｉ 保 输 驱 管 输 护 出 出 动 图 ２ ＬＭ ３ １逻 辑 框 图 ３ Ｌ ３ Ｍ３ ｌ内部 有 输 入 比较 电 路 、 时 比较 电路 、两相步进电机 定 Ｒ—Ｓ 触发 电路 、 复零 晶体 管 、 出驱 动管 、 隙基 准 输 能 电路 、 密 电流源 电路 、 精 电流 开关 、 出保护 电路等 。 输 （ Ｒ— ＵＩ ＲＩ ｔ Ｉ ／ ． Ｉ （ １ ｔ ） （ ｔＲ１ ／ ＿ 又 ｆ一 ） ｔ ＋ ２ ＝ Ｒ １ ＵＩ ） ； ． １ 丁， 里 Ｔ—ｔ＋屯， 以 ： ／ 这 所 ｆ ｏ一 １ （１ ｔ）一 Ｕｌ （ Ｒ１ ． ／ｔ＋ ２ ＿ Ｉｔ ） ／ ＲＩ 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 ， 活改 变输 出脉 冲 的逻 辑电平 ， 灵 从 而适应 Ｔ 、 Ｌ和 Ｃ ＴＬ ＤＴ ＭＯＳ等 不 同 的逻 辑 电路 。 此 外 。 Ｍ３ ｌ可 采 用 单／ 电 源 供 电 ， 压 范 围 为 Ｌ ３ 双 电 ４ ＯＶ， 出也高 达 ４ ～４ 输 ＯＶ。两相步进电机 １ ３ 电 压 一 频 率 变换 ． Ｕ 为 电 容 Ｃ 两 端 的 电 压 ， 为 Ｕ在 大 约 因 １ ０ｍＶ的范 围 内波动 ， 因此 ， ＝Ｖ．故 ： Ｕ＝ ， ＝ ｆ ｏ— Ｖ ／ ｔ （ Ｒ１ ） ＲＩ ． （） １ 从（） １ 式可 以看 出， Ｍ３ １的输 出频 率 与输 Ｌ ３ ０ 入 电压 ． 成正 比， 而 实现 了输 入 电压和 输 出频 率 从 的变换 。ｔ 由外 接 的定 时 元件 Ｒ 和 Ｃ 决 定 ， 关 其 系为 ｔ一１ １ Ｃ ， 样可 以依据 设计 电路 的要 求 相 ． Ｒ．这 应 地选 取 Ｒ 和 Ｃ 的值 。 由 内 部精 密 电流 源 提 （） ２ Ｌ ＭＭ３ １ 接电 路简 单 ， ３外 只需 接 入 几 个外 部 元 件 就可 以方便 地构 成 电压／ 率 （ Ｆ） 频 率／ 压 频 Ｖ／ 或 电 （ ／ 变 换 电 路 。本 文 选 用 Ｌ ３ Ｆ Ｖ） Ｍ３ １的 电 压／ 率 频 （ 转 换功 能 ． 构 如 图 ３ 示 。 Ｖ， Ｆ） 结 所 供 ．Ｒ ． Ｒ 。式（ ） Ｊ ＝１ ９Ｖ／ １ 可变 为 ＝ Ｖ． ／ ２ ０ ＲＩ Ｃ ） Ｒ （ ． ９ Ｒ 输 入 电阻 Ｒｉ ７ 使 脚偏 流抵 消 ６脚偏 流 的影 响 ， 嗥 ．．．． ．．．．． ．．．．．．．．． ． Ｒ １ ’ ８ ７ 从 而减 小 了频率 偏差 。Ｒ 为可 调 电 阻 ， 的作 用是 它 ｌ ＋ Ｌ ３ Ｍ ３ Ｊ 上 工 ６ ． 调整 Ｌ ３ Ｍ３ １的增 益 偏 差 。Ｃ 为 滤 波 电 容 ， 般 为 一 ３ ｒ ０ ０ ～０ １ Ｆ， 滤 波 效 果 较 好 的情 况 下 ， 使 用 ． １ ． 在 可 １“ 的 电 容 。 当 ６脚 和 ７脚 的 Ｒ 时 间 常 数 匹配 Ｆ Ｃ Ｇ Ｎ Ｄ ４ ．． Ａ － ５ Ｌ ｒ － ； 一 Ｉ Ｇ － 时 ， 入 电压 的阶跃 变化 将 引 起 输 出频 率 的阶 跃变 输 化 。为 了提高精 度 和稳 定度 ， 容 元件 选 用 低 温度 阻 系数 的器件 。 图３ Ｌ ３ Ｍ３ １电压 ／ 率 变换 电 路 频 维普资讯 ８ ? ２ 工 矿 自动 化 ２０ ０ ６年 ６月 ２ 驱动 器电 路设 计 动， 常 ， 通 三相 步 进 电饥采 用单极 性 驱 动 。从 功率 驱 动级 电路 来 分 析 ， 有 电压 驱 动 和 电 流 驱 动 之 分 。 又 本 设 计 中采用 串联 电阻电压驱 动方 式 。在相 绕组 中 驱 动 电 路 如 图 ４所 示 。外 接 电 阻 Ｒ 和 电 容 Ｃ、 内部 定时 比较器 、 零 晶体 管 、 复 Ｒ—ｓ触 发 器等 构 成 单稳 定 时 电路 。 当输 入 端 Ｖ＋输 入 的 电 压 大 于 ｉ Ｖ卜输 入 端的 电压 时 ， 输 出逻 辑 低 电平 。 同时 ， 电 流源 Ｊ 对 电容 Ｃ 充 电 。电源 Ｖ 也通 过 电阻 Ｒ 对 电容 Ｃ 充 电 。当 电容 Ｃ 两 端 的 充 电 电压 大 于 、 ， 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 。 利 用上 述 原 理 设 计了一 个 自动 闸 阀控 制 器 ， 闸 阀的 上下 位 置采 用 限 位开关 控 制 ， 用相 应 的 电路 利 的 ２３时 ， 出 端 ， 输 出 逻 辑 高 电平 。． ／ 输 ｏ 号 输 。信 出至 Ｐ ＭＭ８ １ 芯 片 的 时 钟 端 ，该 频 率 经 ７３ Ｐ ＭＭ８ １ ７ ３处理 后 ， Ａ、 Ｃ脚 输 出一定 频 率 的驱 在 Ｂ、 使 限位 开 关 的动作 改 变图 ５所 示 Ｌ ４ Ｍ３８比 较 电压 输 入端 电压 的大 小 ， 而控 制 步进 电 机 运 转还 是 停 从 转 。其 工 作 原理 ； Ｍ３８ 同相 输 入端 为 基 准 电压 Ｌ ４的 端 ， 反 向输 入端 为 比较电压输 入 端 ， 比较 电压输 其 当 入 端 的 电压小 于 基准 电 压时 ， Ｍ３ ８的 １引脚 上输 Ｌ ４ 出高 电平 ， Ｂ ３ 使 Ｄ２ ７导 通 ， 而 使 步 进 电机 能 够 实 从 动 信号来 控 制 功率 三 极 管 的 导 通 时 间 ， 而 控 制 步 从 进 电机的转 速 。 … ｃ］－ ： ‘ —ｃ ／ Ｉ — Ｄ Ｃ Ｖ Ｉ Ｒ Ｕ Ｄ由 Ｄ —： Ｔ Ｃ Ｃ Ｄ ｏ Ｉ 尸 卞 ｎ 现正 转或 反 转 ； 比较 电压 输 入 端 的 电压 高 于基 准 当 电压 时 ， Ｌ ４ 在 Ｍ３ ８的 １引脚 上 输 出低 电平 ， Ｄ ３ Ｂ ２７ 截 止 ， 进 电机停 转 。 步 ■＝－ ２ ７ 丁 一 ｌ 阐 墨 Ｉｌ ８ ＝Ｉ Ｉ ３Ｃ Ｅ １ Ｋ Ｍ４ ４， Ａ Ｄ Ｕ Ｅ Ｂ Ａ Ｔ ． 墨＃ 频 嵯Ｄ ＿ 率４ 输 ５ 三 出 Ｅ 卜 ｆ Ｇ Ｂ Ｎ Ａ Ｂ Ｒ Ｄ Ｃ 口． ６ ．３ Ｇ 娄 １ ０ 图 ４ 驱 动 电路 图 方 向控制 电路 由 Ｌ ４ Ｍ３ ８四 电路 通 用 运 算 放 大 器构 成 。外部 方 向 控 制信 号 通 过 Ｌ ４ Ｍ３ ８和 基 准 电 压构 成 电压 比较 电路 。当 大 于基 准 电压 时， Ｕ３ Ａ输 出为 正 ， 至 Ｐ 接 ＭＭ８ １ ７ ３的第 ４脚 ， 制 输 控 出端 输 出正 相 脉 冲序 列 。 当 ａ 于 基 准 电压 “ 小 时 ， 出端 为 负 ，两相步进电机 至 Ｐ 输 接 ＭＭ８ １ ７ ３的第 ４脚 ， 制 输 控 出端 输 出负相 脉 冲 序列 ， 应 相 驱 动输 出端 输 出正 相 反 向脉 冲序列 ， 而控 制步 进 电机 的正 反转 。 从 由Ｌ ３ Ｍ３ １给 出的输 入 指令是 输 入时 钟 和方 向指令 ＤＩ 这 ２个 指 令 在 Ｐ Ｒ， ＭＭ８ １ ７ ３中经 逻 辑 组 ３ 结语 图 ５ 三 相 反 应 式 步 进 电机 驱 动 电路 本 设 计 为步 进 电机 驱 动器 的 主 体设 计 部 分 ， 结 构简 单 、 成本 低 、 性能 稳定 。采用该 系 统设 计的 三相 反应 式 步进 电机 驱 动 器 驱 动 ５ Ｂ ０ ４型 三 相 反 应 ５Ｆ０ 合转换 各相 通 断 的 时序 逻 辑信 号 。Ｐ ＭＭ８ １ ７ ３的相 驱动输 出端 （ Ｉ ０ Ｉ ３ 的驱 动 电 流达 ２ Ｐ Ｎ１ ～Ｐ Ｎ１ ） ＯｍＡ 以上 ， 能直 接驱 动 微 型步 进 电机 。Ｒ。 ｃ 、 为 开 机 时 自动 初始 化 电路 。初 上 电 的 数 十 毫 秒 内 Ｒ 端 为低 式步 进 电机 。 已成 功 地应 用 于 自动 闸 阀控 制系 统 中， 运 行效 果 良好 。 参 考 文 献 电平 ， 而 Ａ～Ｄ 端 自动 复 位 至 初 始状 态 。如果 外 从 接的步 进 电机 功 率 较 大 ， ＭＭ８ １ Ｐ ７ ３输 出驱 动 端 驱 动能 力不够 ， 时应设 计 功率 放大 驱动 电路 ， 此 然后 再 ［］ 郝 鸿安． —４相步 进 电机 控 制器 ５ ７Ｅ ７ 电子 技 １ ３ Ｇ８ １ ． ３Ｊ 术 ， ９ ｌ （ ） ３ ５ ６ ７ １ ９ ，８ ：２ ～ ２． 驱动 步进 电机 。Ｐ ＭＭ８ １ 各 相输 出端 的 导通 顺 序 ７３ ［］ 林 ２ Ｅ－ 李 ３］ 汉．． ３ 压 频 变换 器的原理及 应用 Ｅ７ 国外 电 Ｉ Ｍ３ １ Ｊ． 华． Ｓ ５ ＭＣ － １系 列单 片机 实用 接 Ｅ技 术 ［ １北 ｌ Ｍ－ ． 逻辑信 号送 至功 率驱 动段 转换 成 内部 功率开 关 的基 极 （ 栅极 ） 动信 号 。步 进 电机驱 动方 式按 相 绕组 或 驱 流过的 电流是 单 向或双 向可 分 为单 极性 和双 极性 驱 子 元 器 件 ，９ ９ （ ０ ：Ｏ ２ ． １ ９ ， １ ）２ ～ ３ 京 ： 京 航 空 航 天 大学 出版 社 ，９９ 北 １９．
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