基于一种低成本的新型步进电机驱动器的研制

0 引 言 　

步进电机是由脉冲控制运行的特殊同步电动机，对应每一供电脉冲，都产生一个恒定量的步进运动，可以是角位移或线位移。步进电机可以实现信号变换，是数字控制系统中广泛应用的执行元件。它具有一定的开环控制精度，步距误差不长期积累，易于启动、停止、正反转及变速，与上位机接口简单方便等特点。随着电力电子技术、控制技术以及电机本体的模压电感器发展，步进电机在办公自动化、工业自动化机器、数控机械等众多领域获得更广泛的应用。

同时步进电机驱动器也得到了很大的发展和改进[2,3,4]。但是目前在工业应用中，多数驱动器体积较大，通用性不强，往往要求外接多路电源，而且成本不低。为此，本文提出了一种单一电源输入、宽塑封电感器电压、宽电流、低成本的两相混合式步进电机驱动器设计方案，并通过试验和实际使用验证了其通用性强，控制简单，可靠性高的特性。

1 步进电机驱动器系统结构 　　

该驱动系统的主要指标要求：

（1）低成本、小体积;

（2）宽范围单电源输入：25～85Vdc

（3）输出每相电流最大值：7A。

图1 步进电机驱动控制系统框图 　　

根据系统要求，设计的步进电机驱动控制系统框图如图1所示。该系统中，以单片步进电机控制器集成电路L297为控制核心，由于其内部集成了脉冲分配器、PWM斩波器以及输出逻辑控制单元等丰富模块，使系统控制更加方便简单。采用由晶体三极管和功率MOS管组成的分立式的功率驱动电路代替集成块电路，使系统成本降低，而且能够满足驱动宽电压、大电流的步进电机的要求。以单片电流型PWM控制器集成电路SI9114A为核心，设计的高频DC-DC变换电路解决了系统所需多路电源的需求，降低了系统功耗，减小了电源电路的体积，并且降低了成本。

系统接收步进脉冲信号CP、方向信号DIR、脱机信号FREE以及工作方式选择信号MODE，通过光耦隔离输入给L297，然后按一定的规律进行分配并输出逻辑控制信号，再经过功率驱动电路进行放大后加到步进电机各相输入端，以驱动步进电机按指令运转。此外系统还具有相电流大小选择、半流锁定以及过流保护等功能。

2 系统设计中的几个关键点 　　

2.1 步进电机控制电路的设计 　　

步进电机控制电路以L297为核心。通过内部集成的脉冲分配器产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：半步方式;基本步距，一相激励方式;基本步距，两相激励方式。脉冲分配器内部是一个3位可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期8拍格雷码时序信号，就是半步工作方式时的时序信号。而在基本步距工作方式时，则产生每周期4拍的时序信号。L297的另一个重要组成是由两个PWM斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制，已获得良好的转矩—频率特性。每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器和外接采样电阻组成，并设功率电感有一个通用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号，而脉冲频率由外接的RC网络决定。L297的CONTROL端用来选择斩波信号的控制，将其置为低电平，以使斩波信号作用于INH1和INH2，而由A、B、C、D端来控制绕组的通断与极性。相绕组电流峰值由VREF端来决定。

恒流斩波控制技术是目前步进电机控制的主流技术，驱动方式采用PWM等方式，使相绕组电流无论在低频或高频段工作时都保持基本恒定。由于电机的电磁转矩只与电机相绕组电流相关，所以恒流斩波控制技术能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。同时，电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。该两相混合式步进电动机驱动器充分利用了L297的功能，采用恒流斩波驱动控制方法。通过采样电阻反馈相绕组电流值与设定的相绕组电流峰值相比较，产生驱动控制信号，使电源电压工作在开关状态，进而使绕组电流保持在设定值附近波动。由于电源电压并不是一大电流电感直向绕组供电，而只是一个个窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积的积分，取自电源的能量大幅度下降，降低了发热量，具有较高的效率。

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