專利名稱：一種混合式步進電機驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于步進電動機技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高細分、低噪聲、高集成度的步進電機驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
步進電機是一種作為控制用的特種電機，是把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為角位移的電氣傳動器件，它的運轉(zhuǎn)與控制脈沖同步，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機由于高精度的定位控制、位置及速度控制簡便、步距誤差無累積等優(yōu)點，在低負載、低速度的工業(yè)控制中應用十分廣泛。它被廣泛運用于數(shù)控機床、自動化生產(chǎn)線、工業(yè)儀器儀表、計算機設備等領(lǐng)域中，成為不可或缺的重要電機組件。但是，步進電機的運行不能由普通的交直流電源供電，需要專用的驅(qū)動設備，所以步進電機的性能在很大程度上取決于其驅(qū)動系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。目前市場上的步進電機驅(qū)動器大多是由單片機和分立元件組成，系統(tǒng)集成度低，抗干擾能力差，步距角分辨率不高，導致步進電機定位精度不高，存在失步和振蕩兩個問題，制約了步進電機的應用。對這個問題的解決辦法，除了改善負載特性及附加機械阻尼外，還可以在驅(qū)動電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細分驅(qū)動等辦法來解決。步進電機細分驅(qū)動技術(shù)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的，它是一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅(qū)動控制技術(shù)。1975年美國學者T. R. Fredriksen首次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出了步進電機步距角細分的控制方法。在其后的20多年里，步進電機細分驅(qū)動技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實踐中得到了廣泛的應用。實踐證明，步進電機細分驅(qū)動技術(shù)可以減小步進電機的步距角，提高步進運行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。步進電機驅(qū)動器作為一種電力電子器件，對它的控制實時性要求很高，因此微處理器的高速發(fā)展，是推動步進電機驅(qū)動器發(fā)展的一個重要因素?；趩纹瑱C實現(xiàn)步進電機控制是目前的一種重要手段。步進電機本身就是離散型自動化執(zhí)行元件，所以它特別適合采用單片機及嵌入式系統(tǒng)控制。同專用相比，單片機有更大的靈活性，更易實現(xiàn)復雜的控制策略。隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展以及單片機性價比的提高，利用單片機實現(xiàn)步進電機控制己經(jīng)非常普遍。但是，單片機受計算速度與精度局限，當采用細分控制時，細分數(shù)不能達到很高， 低頻下噪聲大，電機易抖動，正常運行下溫升也大。另外，為彌補單片機運算速度劣勢，通常采用模擬運算放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器，其參數(shù)一經(jīng)設定，不易經(jīng)常調(diào)整，對工況的變化和對象的變化適應能力差?；谝陨戏治?，本設計人針對現(xiàn)有的步進電機驅(qū)動裝置進行研究改善，本案由此產(chǎn)生。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題，是針對前述背景技術(shù)中的缺陷和不足，提供一種混合式步進電機驅(qū)動裝置，此種驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)最大256細分驅(qū)動，顯著改善低速時電機的噪聲與高速易失步缺點，性能可靠。為解決以上技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種混合式步進電機驅(qū)動裝置，包括中央控制單元及分別與之連接的電源電路、 細分與電流控制電路、光耦隔離電路、報錯顯示電路、過壓過流保護電路、H橋驅(qū)動電路、電流反饋比較電路，還包括分別與電流反饋比較電路、H橋驅(qū)動電路連接的兩相步進電機。上述H橋驅(qū)動電路采用頂2101半橋驅(qū)動芯片和IRF540開關(guān)管。上述電流反饋比較電路采用TL374作為比較器。上述過壓過流保護電路采用LM339四運放比較器。采用上述方案后，本實用新型通過采用高性能細分步進馬達芯片作為控制器，用戶可以采用盡可能少的分立元件實現(xiàn)簡單高效的馬達控制，并且可以在電機運行的任何時刻改變步進電機的運行狀態(tài)，克服以往采用單片機或分立元件時電機在低速噪聲大，高速易失步缺點；另外，結(jié)合外部驅(qū)動電路、過電壓、過電流，給電機驅(qū)動系統(tǒng)提供了安全可靠的性能保護。由此，本實用新型具有以下有益效果1)、本實用新型采用超大規(guī)模的硬件集成電路，具有高度的抗干擾性及快速的響應性，克服了采用模擬器件構(gòu)成的控制電路集成度不高、硬件設計復雜可靠性低、可重復性差的缺點；2)、本實用新型可以實現(xiàn)高達256細分兩相或四相混合式步進電機驅(qū)動，這是市場上步進電機驅(qū)動芯片最大64細分方案無法比擬的，高細分帶來了電機更小的低速噪聲和更高的控制精度；3)、采用本實用新型所提供的方案，開發(fā)者只需要根據(jù)項目集成需要，增加相關(guān)的外圍電路就可完成高精度的電機驅(qū)動，相對于基于單片機、DSP、CPLD/FPGA的驅(qū)動方案，用戶可以根據(jù)自身需要方便快捷地完成電機高效驅(qū)動。
圖1是本實用新型的整體架構(gòu)示意圖；[0021]圖2是本實用新型中電源電路的實例圖；圖3是本實用新型中H橋驅(qū)動電路的實例圖；圖4是本實用新型中細分與電流控制電路的實例圖；圖5是本實用新型中中央控制單元的實例圖；圖6是本實用新型中光耦隔離電路的實例圖；圖7是本實用新型中過壓過流保護電路的實例圖。
具體實施方式
以下將結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明。
4[0028]如圖1所示，本實用新型提供一種混合式步進電機驅(qū)動裝置，包括中央控制單元及分別與之連接的電源電路、細分與電流控制電路、光耦隔離電路、報錯顯示電路、過壓過流保護電路、H橋驅(qū)動電路、電流反饋比較電路，還包括分別與電流反饋比較電路、H橋驅(qū)動電路連接的兩相步進電機。如圖2所示，是本實用新型中電源電路的實例圖，整個系統(tǒng)+24V-+50V直流電源輸入，以3843為主控芯片的開關(guān)電源電路輸出+12V電壓供半橋驅(qū)動芯片^2101，78L05穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生+5V電源供主控芯片與模擬部分電路。整個系統(tǒng)具有+24V-+90V、+12V、+5V三種工作電壓。如圖3所示，是本實用新型中H橋驅(qū)動電路的實例圖，功率驅(qū)動電路中半橋驅(qū)動芯片采用^2101，IGBT開關(guān)管采用IRFMO。IR2101的高壓與低壓控制信號輸入管腳HIN、 LIN接連接圖5所示的主控芯片的A/B相全橋信號輸出(HLB/LLB，LRB/HRB, HLA/LLA，LRA/ HRA)。B相電流采樣信號通過H橋功率驅(qū)動電路的直流母線接2個小電阻R75、R76并聯(lián)實現(xiàn)。A相電流采樣方法與B相相同。自舉電容C40、C41采用IOuf電解電容。如圖4所示，是本實用新型中細分與電流控制電路的實例圖，其是用8位撥碼開關(guān)作細分與電流設置，按照protel99se原理圖的網(wǎng)絡標識來描述連接關(guān)系，其中，通過網(wǎng)絡標識p_adjust、p_sl、p_ca電氣連接實現(xiàn)電流與細分控制。TC1002的細分檔管腳MSEL0， MSELl, MSEL2，MSEL3提供了多達14種不同的細分選擇。細分檔設置2、4、6、8、16、32、64、 128、256 ;5、10、25、50、125、250。最大為256細分。撥碼開關(guān)另外3位調(diào)整電阻網(wǎng)絡P CA 狀態(tài)，從而改變可調(diào)線性穩(wěn)壓電源U9(LM317)輸出P_Adjust值。另外，改變撥碼開關(guān)其中一位P_SL高低電平，可以使U9的輸出在全電流與半電流工作模式下切換。如圖5所示，是本實用新型中中央控制單元的實例圖，主控芯片采用TC1002(44 腳)步進電機驅(qū)動芯片，其中4、5、6、7與23、M、25J6兩組共8個管腳輸出8路SPWM信號給圖3半橋驅(qū)動芯片(共四片，圖3只畫出B相H橋2片)。每個半橋驅(qū)動芯片頂2101 需要兩個獨立的高低壓驅(qū)動信號。27、觀、29、30作為細分選擇管腳與圖4撥碼開關(guān)4位連接，設置細分數(shù)在2-256共14種細分之間切換。37、38、39三個管腳與圖6中脈沖、方向、使能信號通道光藕隔輸出連接，并在芯片內(nèi)部完成施密特波形規(guī)整。22、8腳作為過電流保護信號輸入管腳實現(xiàn)對圖3功率橋直流母線電流檢測監(jiān)視。16、20腳接兩路正弦DAC信號輸出，經(jīng)LM358處理后轉(zhuǎn)為電壓正弦、余弦信號，幅度由圖4中電流設置輸出P_Adjust改變。 17、19腳A、B相電流參考信號與圖3功率驅(qū)動電路中直流母線上電流采樣電阻檢測信號經(jīng) TL374比較后輸出連接TC1002的A相、B相電流輸入控制信號(9腳、21腳)。如圖6所示，是本實用新型中光耦隔離電路的實例圖，按照pr0tel99Se原理圖的網(wǎng)絡標識來描述連接關(guān)系，實現(xiàn)外部輸入的方向DIR、脈沖PULL、使能ENA信號隔離，外部輸入指令(PULL+、PULL-)、方向(DIR+、DIR-)、使能信號(ENA+、ENA_)通過兩片光耦隔離芯片 6N137(U1、U2)、1片TL521(U3)隔離輸出DIR、PULL、ENA，并分別連接主控芯片的輸入邏輯。 光耦輸入端限流電阻分別用470歐姆與270歐姆。如圖7所示，是本實用新型中過壓過流保護電路的實例圖，按照pr0tel99Se原理圖的網(wǎng)絡標識來描述連接關(guān)系，有過電壓保護maj0r_0VV、過電流保護OVCA信號給主芯片 TC1002, TC1002則輸出故障信號major_faUlt，提供指示燈報警電路；其中主控制單元提供了故障輸出信號(40腳)，并通過TOA、TOB(LM339芯片)提供指示燈報警。系統(tǒng)外部輸入電源電壓信號O4-50V)經(jīng)LM339比較器與參考電壓比較后輸出Major_0VV連接至主控單元過電壓輸入管腳(32腳)，主控單元A相電流反饋信號與設定電流參考值VrefA比較，比較器U7A，U7B采用TLC374芯片，比較器的輸出連接主控單元(圖幻8腳或22腳。這里分 A相、B相兩路過電流信號檢測。 以上實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實用新型保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種混合式步進電機驅(qū)動裝置，其特征在于包括中央控制單元及分別與之連接的電源電路、細分與電流控制電路、光耦隔離電路、報錯顯示電路、過壓過流保護電路、H橋驅(qū)動電路、電流反饋比較電路，還包括分別與電流反饋比較電路、H橋驅(qū)動電路連接的兩相步進電機。
2.如權(quán)利要求1所述的一種混合式步進電機驅(qū)動裝置，其特征在于所述H橋驅(qū)動電路采用頂2101半橋驅(qū)動芯片和IRF540開關(guān)管。
3.如權(quán)利要求1所述的一種混合式步進電機驅(qū)動裝置，其特征在于所述電流反饋比較電路采用TL374作為比較器。
4.如權(quán)利要求1所述的一種混合式步進電機驅(qū)動裝置，其特征在于所述過壓過流保護電路采用LM339四運放比較器。
專利摘要本實用新型公開一種混合式步進電機驅(qū)動裝置，包括中央控制單元及分別與之連接的電源電路、細分與電流控制電路、光耦隔離電路、報錯顯示電路、過壓過流保護電路、H橋驅(qū)動電路、電流反饋比較電路，還包括分別與電流反饋比較電路、H橋驅(qū)動電路連接的兩相步進電機。此種驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)最大256細分驅(qū)動，顯著改善低速時電機的噪聲與高速易失步缺點，性能可靠。
文檔編號H02P8/12GK202150824SQ20112028330
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者李軍科 申請人:李軍科