步进电机的功率驱动

目录

摘要............................................................................................................................................................. - 0 - 任务与分析....................................................................................................................................................... - 1 -

1 步进电机工作原理....................................................................................................................................... -

2 -

2 总体设计方案............................................................................................................................................... -

3 - 2.1 步进电机驱动电源 .................................................................................................................................. - 3 - 2.1.1步进电机的脉冲发生器 ....................................................................................................................... - 3 - 2.1.2步进电机的脉冲分配器 ....................................................................................................................... -

4 - 2.1.3步进电机的功率放大器 ....................................................................................................................... -

5 - 2.2 步进电机驱动方案的比较 ...................................................................................................................... - 5 - 2.2.1单电压限流型驱动电路 ....................................................................................................................... - 5 - 2.2.2高低压切换型驱动电路 ....................................................................................................................... -

6 - 2.2.3斩波恒流驱动电路 ............................................................................................................................... -

7 - 2.2.4调频调压驱动电路 ............................................................................................................................... -

8 - 2.2.5步进电机驱动方案的选择 ................................................................................................................... - 8 -

2.3 步进电机驱动控制框图 .......................................................................................................................... - 8 -

3 系统电路原理图设计................................................................................................................................... - 9 - 3.1环形分配的电路原理图 ........................................................................................................................... - 9 -

3.2斩波恒流驱动电路原理图 ..................................................................................................................... - 10 -

4 功率器件的选择与计算............................................................................................................................. - 11 - 4.1 步进电机驱动电源的环形分配器的选择 ............................................................................................ - 11 -

4.2 步进电机驱动电源其他相关器件的选择 ............................................................................................ - 11 -

5 系统调试..................................................................................................................................................... - 12 - 结论............................................................................................................................................................. - 13 - 【参考文献】................................................................................................................................................. - 14 -

摘要

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用, 步进电机驱动电路就是为步进电机分时供电的,按照其驱动方式可以分为如下几种：恒压驱动、高低压驱动、变频变压驱动以及斩波恒流驱动等。本设计是三相六拍步进电动机的一种斩波恒流驱动电路,该电路采用集成触发型环形分配器对控制脉冲进行分配,再对脉冲信号通过放大进而驱动步进电机，特点是体积小,重量轻,精度高,稳定性好,功耗低,成本低等.本设计对整个驱动放大电路的各个模块作了详细的说明。

关键词：驱动器步进电机三相六拍

任务与分析

步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果

对驱动电源的基本要求：

（1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都工满足步进电动机的需要；

（2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；

（3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡；

（4）工作可靠，抗干扰能力强；

（5）成本低、效率高、安装和维护方便。

1 步进电机工作原理

通常步进电机的转子为永磁体，当电流流过定Array子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带

动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定

子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角

度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电

脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角

位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。图1.1

如图1.2所示，定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到图2所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。同理，B相通电时，转子会转过30?角，2、4齿和

B、B′磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30?角，1、3齿和C′、C 磁极轴线

对齐。这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。按A→B→C→A→……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90°(一个齿距角)。按A→AB→B→BC→C →CA的顺序给三相

绕组轮流通电。采用这种不同的通电方式可以获得更精确的控制特性。

图1.2

它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，

从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，

从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精

度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

2 总体设计方案

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

2.1 步进电机驱动电源

因为步进电机是受其输入信号即一系列电脉冲控制而动作的，脉冲发生器所产生的脉冲信号通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上，为使电动机能够输出足够大的功率，经环形分配器的脉冲信号还需要进行功率放大，环形分配器和功率放大器以及其他控制线路组合称为步进电机的驱动电源，步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成,如图2.1所示。

图2.1

2.1.1步进电机的脉冲发生器

脉冲发生器是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的脉冲信号发生器。脉冲发生器可以采用多种线路，最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种，它们都是通过调节电阻R和电容C的大小来改变电容器充放电的时间常数，以达到改变脉冲信号频率的目的。图2.2是两种实用的多谐振荡电路，它们分别由反相器和非门构成，振荡频率由RC决定，改变R值即可改变脉冲频率。

图2.2

2.1.2步进电机的脉冲分配器

脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电动机按确定的运行方式工作，步进电动机驱动电源的环形分配器有硬件和软件两种方式。本组设计要求采用CH250环形脉冲分配器。CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如图2.3、图2.4所示。

图2.3

图2.4

J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若J6r＝“0”，

J6L＝“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、C0为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。

CH250环形脉冲分配器的功能关系如表2.1所列。

表2.1

2.1.3步进电机的功率放大器

功率放大器又叫功率驱动器，由于脉冲分配器输出端A0、B0、C0的输出电流很小，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400μA，而步进电动机的驱动电流较大，如75BF001型步进电动机每相静态电流为3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机，功率放大电路对步进电机的性能影响很大，驱动电路的核心问题是如何提高步进电机的快速性和稳定性。

2.2 步进电机驱动方案的比较

功率驱动器最早采用的是单电压驱动电路，后来又出现了高低压驱动电路、斩波恒流驱动电路、调频调压驱动电路等。

2.2.1单电压限流型驱动电路

这是一种简单的驱动电路，如图2.5所示是对步进电机一相绕组的驱动电路。L是电

动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕

图2.5

可能接近矩形波。但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时间常数，须经过的时间后才能达到稳态电流。由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。为了减小时间常数，在励磁绕组中串以电阻R，这样时间常数就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过度过程，从而提高了工作速度。在电阻R 两端并联电容C，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻RD使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。

这种电路的缺点是R上有功率消耗。为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。

2.2.2高低压切换型驱动电路

为了提高电源效率及工作频率，可采用高、低压切换型电源，其原理图和波形如图2.5所示。高压供电是用来加速电流的增长速度，而低压是用来维持稳定的电流值。一般高压为低压的数倍，若加在VT1和VT2基极的电压Ub1和Ub2，在一定时间内VT1和VT2都导通，+80v高压电源加在电机绕组上，电流快速上升，当时间达到某一值或者电流高于某一值时，VT2截止，+12v电源供电，绕组电流下降，当电流下降到电机额定电流时，VT1也截止，电流下降到0。

图2.6

高低压驱动电路的优点是功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高；其缺点是大功率管的数量要多用一半，增加了驱动电源，电流波形呈凹形，低频时震荡严重，运行平稳性较差，输出转矩下降。

2.2.3斩波恒流驱动电路

斩波恒流放大电路是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近，其电路原理图和电流波形图如图2.6所示。环形分配器输出的脉冲作为输入信号，若脉冲为正，则VT1和VT2导通，电压U1加在电机绕组上使电流增加，当电流增大至额定电流以上时，采样电阻上的电压增高，使控制门输出反响信号，让VT1截止，绕组上的电流由U2提供，电流逐渐降低，取样电阻上的电压降低，反馈回的信号使控制门输出信号再一次反向，信号经放大后促使VT1再次导通，如此循环往复，便在绕组上产生如图2.7所示波形，电流在额定电流值上下波动，呈锯齿形，近似恒流所以叫做恒流斩波驱动电路。

图2.7

这种电路结构复杂，但它使步进电动机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯频特性都有明显的提高，使绕组中的脉冲电流边沿陡，快速响应好，且无外接电阻，所以功耗下降

很多，提高了效率，还保证了在很大的频率范围内，步进电机都能输出恒定的转矩。所以斩波恒流放大电路广泛应用在要求较高的控制系统中。

2.2.4调频调压驱动电路

调频调压驱动电路如图2.8所示，它可分为三部分：开关调压、调频调压控制和功率放大，电压一般与频率呈线性关系，在理想条件下，保持步进电动机的力矩不变，电源电压将随着工作频率的升高而升高，随着工作频率的下降而下降。

图2.8

调频调压驱动能够减小低频振动，低速时绕组电流上升的前沿应较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲。而在高速时电流则应有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，这样才能提高步进电机的负载能力。这就要求驱动电源对绕组提供的电压与电动机运行频率建立直接联系，即低频时用较低的电压供电，高频使用较高的电压供电，调频调压驱动方式可以较好地满足这一要求。

2.2.5步进电机驱动方案的选择

通过上述介绍的四种驱动电路，斩波恒流驱动电路对步进电动机的控制在成本、电路结构、实用场所等方面综合条件尤为优秀，因此选用此种方案。

2.3 步进电机驱动控制框图

步进电机控制系统框图如图2.9所示

图2.9

3 系统电路原理图设计

本系统的电路原理图分为两大部分，如图3.1所示，第一部分是斩波恒流驱动电路原理图，第二部分则是集成触发器型环形分配器的电路原理图。

图3.1

3.1环形分配的电路原理图

步进电动机驱动电源的环形分配器有硬件和软件两种方式。本组设计要求采用硬件环形分配器中的集成触发器型环形分配器CH250芯片。如图3.2所示。

图3.2

3.2斩波恒流驱动电路原理图

斩波恒流驱动电路如图3.3所示。由脉冲分配器分配出的脉冲信号经斩波恒流电路放大以驱动电机。

图3.3

当输入为脉冲为高电平时，信号分为两路，第一路经过非门U7，输出低电平，光电开关正向导通，开始工作，触发电压使IGBT管Q2导通，另一路信号到与门U8同比较器输出信号相与，输出高电平，经非门U2取反，输出低电平，光电开关U4导通，触发电压使IGBT管Q1导通，电机绕组上的电流逐渐增大，当电流增大到额定电流以上时，采样电阻R7上的电压增大，反馈电压增大，比较器输出低电平，经非门输出高电平，光电开关U4停止工作，IGBTQ1截止，电机绕组由12V电源提供电流，电流逐渐减小，当电流小于额定值时，采样电阻反馈回的电压减小，与非门输出低电平，光电开关U4工作，IGBT管Q1接着工作，绕组电流又逐渐增大。当输入端的脉冲信号为低电平时，两只IGBT管都不导通。

4 功率器件的选择与计算

4.1 步进电机驱动电源的环形分配器的选择

步进电动机驱动电源的环形分配器有硬件和软件两种方式。本组设计要求采用硬件环形分配器中的集成触发器型环形分配器，CH250芯片是专门为反应式步进电机设计的环形分配器。其集成度高，可靠性好，能够满足设计要求。

4.2 步进电机驱动电源其他相关器件的选择

电压比较器TLC372是单通道的比较器，该电路克服了上一个电路在非0V恒定电压不能比较正弦波的情况。设计中使用三个电压比较器，用于控制其中一个IGBT的通断，TCL372能够满足设计要求。

设计中使用三个与非门，用于对所给信号相与取反，实现对IGBT的导通关断的控制。光电开关的限流电阻选为330Ω，因光电二极管的电流为10mA左右，压降为2V左右，电源电压在5V时限流电阻R=（5V-2V）/0.01=300Ω，选用330Ω的电阻满足要求。二极管D3起续流保护作用，IN5401最大能够承受的正向电压为100V，电流3A，能够满足设计要求，所串电阻可以使电流下降更快，让绕组后沿波形变陡，阻值越大，耗能越快，选用1K的电阻满足设计要求，采样电阻R7一般很小，为0.2Ω左右。目前IGBT的通断驱动功率小，开关速度快，通态压降低，是一种高电压和大电流的开关器件，本设计中因电压较低，选用IRG4BC10U的管子，它能承受的4A电流和10KV电压，导通压降2.5V左右，能够在保证开关频率的同时简化电路，满足设计要求。具体元器件如表5.1所示.

表5.1

5 系统调试

本设计的调试仿真所采用的软件是proteus软件，基于设计要求，需使用CH250芯片环形分配器，由于软件元器件库的限制，未能找到相应的芯片，出于设计所需，设计者人为的在proteus软件中建立了一个相似模块，但由于作者时间及水平的限制，模块内部程序难以实现其原有功能，故不能完成调试仿真。整个系统电路原理图如图5.1所示。

图5.1

结论

经过两周的努力，我们完成了3A/80V三相六拍步进电机驱动器的设计。题目要求采用CH250芯片实现脉冲的分配，设计斩波恒流步进电机的驱动电路，这次设计的电路能够有效驱动三相六拍步进电机，斩波恒流功率放大电路使步进电机的矩频特性和惯频特性都有所提高，减少了系统的总功耗，提高了系统效率，可以在控制系统中广泛应用。通过系统测试分析，本设计还有许多不足之处。例如对器件的选择精度不是特别高，未能实现仿真等，但逻辑上是符合要求的，

在本次设计中，通过对设计题目的分析讨论，本组成员在图书馆中查阅了相关参考文献，收集到了足够的资料，对步进电机的几种驱动方案都作了仔细的分析理解，弥补了以前在步进电机的驱动控制方面的知识空缺。当然本次设计也遇到了很多困难。首先便是在proteus软件中元器件库中选择所需元件，对大多数以前没有用过的元件都需要一一上网查询其元件名，以便在器件库中找出备用；另一方面就是在斩波恒流电路的设计时因为对控制所用的晶体管性能不熟悉，给我们造成了很大的疑惑，多次找到指导老师给我们答疑。最后在老师的帮助下，在本组成员团结一致，分工合作下，最终基本完成了此次设计。本次设计中我收获不少，不仅弥补了在这方面的知识空缺，也锻炼了自己的分析问题解决问题的能力。最后在此感谢老师及各位同学对于我们的帮助。

【参考文献】

[1]邓星钟机电传动控制. 武汉: 华中科技大学出版社, 2007.7

[2]冯清秀、邓星钟，机电传动控制. 武汉：华中科技大学出版社，2012.2

[3]康华光，电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2006.12

[4]许建国，电机与拖动基础. 北京：高等教育出版社，2004,7