3 二相步进电机驱动器的总体设计方案


  3.1 系统设计框图


  如图8所示,控制板信号经过光耦隔离与单片机中断口相连。


  二相步进电机驱动器的总体设计方案


单片机根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配,确定各相通电顺序,并与CPLD里面的D触发器相连;同时根据用户设定的电流值和细分数通过SPI口与D/A转换器AD5623通信,得到设定的电流值(实际上是电流对应的电压值)。


  AD5623输出的值为期望的电流对应的电压值,它必须与从功率模块检测得到的电流对应的电压值进行比较,并把比较结果与CPLD里面的D触发器CLR引脚相连。


  CPLD与电流、细分设定的拨码开关相连,把得到的值通过SPI口传给单片机;以D触发器为核心的控制逻辑,根据单片机的各相通电顺序和比较器MAX907的比较结果确定各功率管的开关。


   功率驱动模块直接与电机相连,驱动电机。采用8个MOS管IRF740构成2个H桥双极型驱动电路。IRF740最高可承受400 V电压和10 A电流,开关转换时间不会超过51 ns,管子导通电压Vgs的取值范围为4~20 V。


  3.2 细分关键技术方案


  “额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法的实质是恒流控制,关键是电流的精确控制,必须同时满足以下各个条件:


  ①D/A转换器输出的电流值必须与期望值相当接近,而且转换速度要快。该系统采用ADI公司的AD5623,12位精度,分成4 096个等级,满足了200细分的高精度要求;2路D/A输出满足两相的要求;SPI口通信,频率高达50 MHz,建立时间快,同时单电压供电,连接简单。


  ②检测到的电流必须能正确地反映此时的相电流。由于电机的相电流通常很大,电压很高,检测有一定的难度。常用的检测方法有外接标准小电阻,电路简单,但干扰比较大,准确性比较差;霍尔传感器检测准确,干扰小,连接也不复杂,所以该驱动器采用霍尔传感器。


  ③比较器分辨率要高,转换速度快。MAX907的建立时间只需12 ns,比较的电压只要相差2 mV即可检测出来(最大不超过4 mV),反应非常灵敏。




  ④控制功率管开关的逻辑电路要有很高的实时性,保证相电流在设定电流上下做很小的波动,以免引起浪涌,干扰控制电路。


  本文采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572。以D触发器为核心的控制电路全部由CPLD完成,CPLD代替了各种分立元器件,结构简单,连接方便。图9是控制电路的逻辑图。


  步进电机驱动器的关键技术研究


如图9所示,当比较结果为低电平时(检测到的电流大于设定电流),D触发器输出为1,或门输出高电平,关断管子,电流变小;当检测到电流小于设定电流时,管子导通,从而保证相电流在设定电流上下做很小的波动。


  结 语


  本文建立了“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法,并基于该方法设计实现了二相混合式步进电机驱动器,最高可达200细分,驱动电流从O.5 A/相到8 A/相可调,可驱动24系列到86系列的步进电机。实际应用证明,该方法基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪声大的缺点,电机在较大速度范围内转矩保持恒定,提高了控制精度,减小了发生共振的几率,具有很好的稳定性、可靠性和通用性,且结构简单。