專利名稱：一種混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高細(xì)分、低噪聲、高集成度的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，是把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為角位移的電氣傳動(dòng)器件，它的運(yùn)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(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)，在低負(fù)載、低速度的工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛。它被廣泛運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、工業(yè)儀器儀表、計(jì)算機(jī)設(shè)備等領(lǐng)域中，成為不可或缺的重要電機(jī)組件。但是，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行不能由普通的交直流電源供電，需要專用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，所以步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上取決于其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。目前市場(chǎng)上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器大多是由單片機(jī)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(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)定位精度不高，存在失步和振蕩兩個(gè)問題，制約了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用。對(duì)這個(gè)問題的解決辦法，除了改善負(fù)載特性及附加機(jī)械阻尼外，還可以在驅(qū)動(dòng)電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)等辦法來解決。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的，它是一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。1975年美國學(xué)者T. R. Fredriksen首次在美國增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。在其后的20多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很大的發(fā)展，并在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高步進(jìn)運(yùn)行的平穩(wěn)性，增加控制的靈活性等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為一種電力電子器件，對(duì)它的控制實(shí)時(shí)性要求很高，因此微處理器的高速發(fā)展，是推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的一個(gè)重要因素。基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制是目前的一種重要手段。步進(jìn)電機(jī)本身就是離散型自動(dòng)化執(zhí)行元件，所以它特別適合采用單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)控制。同專用相比，單片機(jī)有更大的靈活性，更易實(shí)現(xiàn)復(fù)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(jī)性價(jià)比的提高，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制己經(jīng)非常普遍。但是，單片機(jī)受計(jì)算速度與精度局限，當(dāng)采用細(xì)分控制時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)不能達(dá)到很高， 低頻下噪聲大，電機(jī)易抖動(dòng)，正常運(yùn)行下溫升也大。另外，為彌補(bǔ)單片機(jī)運(yùn)算速度劣勢(shì)，通常采用模擬運(yùn)算放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器，其參數(shù)一經(jīng)設(shè)定，不易經(jīng)常調(diào)整，對(duì)工況的變化和對(duì)象的變化適應(yīng)能力差。基于以上分析，本設(shè)計(jì)人針對(duì)現(xiàn)有的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行研究改善，本案由此產(chǎn)生。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題，是針對(duì)前述背景技術(shù)中的缺陷和不足，提供一種混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，此種驅(qū)動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)最大256細(xì)分驅(qū)動(dòng)，顯著改善低速時(shí)電機(jī)的噪聲與高速易失步缺點(diǎn)，性能可靠。為解決以上技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括中央控制單元及分別與之連接的電源電路、 細(xì)分與電流控制電路、光耦隔離電路、報(bào)錯(cuò)顯示電路、過壓過流保護(hù)電路、H橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路連接的兩相步進(jìn)電機(jī)。上述H橋驅(qū)動(dòng)電路采用頂2101半橋驅(qū)動(dòng)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(hù)電路采用LM339四運(yùn)放比較器。采用上述方案后，本實(shí)用新型通過采用高性能細(xì)分步進(jìn)馬達(dá)芯片作為控制器，用戶可以采用盡可能少的分立元件實(shí)現(xiàn)簡單高效的馬達(dá)控制，并且可以在電機(jī)運(yùn)行的任何時(shí)刻改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，克服以往采用單片機(jī)或分立元件時(shí)電機(jī)在低速噪聲大，高速易失步缺點(diǎn)；另外，結(jié)合外部驅(qū)動(dòng)電路、過電壓、過電流，給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了安全可靠的性能保護(hù)。由此，本實(shí)用新型具有以下有益效果1)、本實(shí)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(yīng)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(shè)計(jì)復(fù)雜可靠性低、可重復(fù)性差的缺點(diǎn)；2)、本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)256細(xì)分兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這是市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片最大64細(xì)分方案無法比擬的，高細(xì)分帶來了電機(jī)更小的低速噪聲和更高的控制精度；3)、采用本實(shí)用新型所提供的方案，開發(fā)者只需要根據(jù)項(xiàng)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(jī)驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于基于單片機(jī)、DSP、CPLD/FPGA的驅(qū)動(dòng)方案，用戶可以根據(jù)自身需要方便快捷地完成電機(jī)高效驅(qū)動(dòng)。

圖1是本實(shí)用新型的整體架構(gòu)示意圖；[0021]圖2是本實(shí)用新型中電源電路的實(shí)例圖；圖3是本實(shí)用新型中H橋驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)例圖；圖4是本實(shí)用新型中細(xì)分與電流控制電路的實(shí)例圖；圖5是本實(shí)用新型中中央控制單元的實(shí)例圖；圖6是本實(shí)用新型中光耦隔離電路的實(shí)例圖；圖7是本實(shí)用新型中過壓過流保護(hù)電路的實(shí)例圖。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
4[0028]如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括中央控制單元及分別與之連接的電源電路、細(xì)分與電流控制電路、光耦隔離電路、報(bào)錯(cuò)顯示電路、過壓過流保護(hù)電路、H橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路連接的兩相步進(jìn)電機(jī)。如圖2所示，是本實(shí)用新型中電源電路的實(shí)例圖，整個(gè)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)具有+24V-+90V、+12V、+5V三種工作電壓。如圖3所示，是本實(shí)用新型中H橋驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)例圖，功率驅(qū)動(dòng)電路中半橋驅(qū)動(dòng)芯片采用^2101，IGBT開關(guān)管采用IRFMO。IR2101的高壓與低壓控制信號(hào)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(hào)輸出(HLB/LLB，LRB/HRB, HLA/LLA，LRA/ HRA)。B相電流采樣信號(hào)通過H橋功率驅(qū)動(dòng)電路的直流母線接2個(gè)小電阻R75、R76并聯(lián)實(shí)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(shí)用新型中細(xì)分與電流控制電路的實(shí)例圖，其是用8位撥碼開關(guān)作細(xì)分與電流設(shè)置，按照protel99se原理圖的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)來描述連接關(guān)系，其中，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)p_adjust、p_sl、p_ca電氣連接實(shí)現(xiàn)電流與細(xì)分控制。TC1002的細(xì)分檔管腳MSEL0， MSELl, MSEL2，MSEL3提供了多達(dá)14種不同的細(xì)分選擇。細(xì)分檔設(shè)置2、4、6、8、16、32、64、 128、256 ;5、10、25、50、125、250。最大為256細(xì)分。撥碼開關(guān)另外3位調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)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(shí)用新型中中央控制單元的實(shí)例圖，主控芯片采用TC1002(44 腳)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中4、5、6、7與23、M、25J6兩組共8個(gè)管腳輸出8路SPWM信號(hào)給圖3半橋驅(qū)動(dòng)芯片(共四片，圖3只畫出B相H橋2片)。每個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片頂2101 需要兩個(gè)獨(dú)立的高低壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。27、觀、29、30作為細(xì)分選擇管腳與圖4撥碼開關(guān)4位連接，設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)在2-256共14種細(xì)分之間切換。37、38、39三個(gè)管腳與圖6中脈沖、方向、使能信號(hào)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(hù)信號(hào)輸入管腳實(shí)現(xiàn)對(duì)圖3功率橋直流母線電流檢測(cè)監(jiān)視。16、20腳接兩路正弦DAC信號(hào)輸出，經(jīng)LM358處理后轉(zhuǎn)為電壓正弦、余弦信號(hào)，幅度由圖4中電流設(shè)置輸出P_Adjust改變。 17、19腳A、B相電流參考信號(hào)與圖3功率驅(qū)動(dòng)電路中直流母線上電流采樣電阻檢測(cè)信號(hào)經(jīng) TL374比較后輸出連接TC1002的A相、B相電流輸入控制信號(hào)(9腳、21腳)。如圖6所示，是本實(shí)用新型中光耦隔離電路的實(shí)例圖，按照pr0tel99Se原理圖的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)來描述連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)外部輸入的方向DIR、脈沖PULL、使能ENA信號(hào)隔離，外部輸入指令(PULL+、PULL-)、方向(DIR+、DIR-)、使能信號(hào)(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(shí)用新型中過壓過流保護(hù)電路的實(shí)例圖，按照pr0tel99Se原理圖的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)來描述連接關(guān)系，有過電壓保護(hù)maj0r_0VV、過電流保護(hù)OVCA信號(hào)給主芯片 TC1002, TC1002則輸出故障信號(hào)major_faUlt，提供指示燈報(bào)警電路；其中主控制單元提供了故障輸出信號(hào)(40腳)，并通過TOA、TOB(LM339芯片)提供指示燈報(bào)警。系統(tǒng)外部輸入電源電壓信號(hào)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(hào)與設(shè)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(hào)檢測(cè)。 以上實(shí)施例僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)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(dòng)，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(xì)分與電流控制電路、光耦隔離電路、報(bào)錯(cuò)顯示電路、過壓過流保護(hù)電路、H橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路連接的兩相步進(jìn)電機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述H橋驅(qū)動(dòng)電路采用頂2101半橋驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述過壓過流保護(hù)電路采用LM339四運(yùn)放比較器。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括中央控制單元及分別與之連接的電源電路、細(xì)分與電流控制電路、光耦隔離電路、報(bào)錯(cuò)顯示電路、過壓過流保護(hù)電路、H橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路連接的兩相步進(jìn)電機(jī)。此種驅(qū)動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)最大256細(xì)分驅(qū)動(dòng)，顯著改善低速時(shí)電機(jī)的噪聲與高速易失步缺點(diǎn)，性能可靠。
文檔編號(hào)H02P8/12GK202150824SQ20112028330
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)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(qǐng)人:李軍科