專利名稱：步進(jìn)電機(jī)細(xì)分式驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器電路，由細(xì)分控制電路、驅(qū)動電路構(gòu)成，主要用于驅(qū)動反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
文獻(xiàn)《可變細(xì)分式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源》，申請?zhí)?9202160.8，公開了一種可細(xì)分式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源，其目的是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)可變細(xì)分，在這種電源中采用了無源電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生階梯波基準(zhǔn)信號來控制功率級實(shí)現(xiàn)恒流斬波。其不足之處是①D/A轉(zhuǎn)換由無源電阻網(wǎng)絡(luò)組成，細(xì)分?jǐn)?shù)難以增加，且受電阻網(wǎng)絡(luò)精度影響，細(xì)分精度低。②功率驅(qū)動部分采用橋式電路，僅適用于具有獨(dú)立相繞組引線的步進(jìn)電機(jī)，不適用于具有公共節(jié)點(diǎn)的星形接法的步進(jìn)電機(jī)，通用性差。
文獻(xiàn)《步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路》發(fā)明專利申請公開說明書(申請?zhí)?0101131.2)公開的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，采用單片微處理器8031、EPROM2732和鎖存器74LS373構(gòu)成的最小系統(tǒng)使驅(qū)動電流按照軟件設(shè)定的控制規(guī)律隨輸入控制信號fe變化，其主要目的是改善步進(jìn)電機(jī)在各頻段的響應(yīng)特性。其不足之處在于①雖改善了步進(jìn)電機(jī)頻率響應(yīng)特性，但在低頻時(shí)隨其驅(qū)動電流的變化，步進(jìn)電機(jī)輸出力矩將變小。②無細(xì)分功能。
上述二種方案的驅(qū)動電路，其電流控制均采用施密特觸發(fā)器作閉環(huán)電流檢測、自激振蕩的斬波方式，而達(dá)到穩(wěn)流目的。其缺點(diǎn)是相電流中存在較大的鋸齒形電流紋波，恒流特性較差，不能用于細(xì)分度較高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。本發(fā)明提供了一種具有較高精度細(xì)分功能的細(xì)分控制電路和頻率響應(yīng)寬、效率高、適用于驅(qū)動各種不同接線方式、不同相數(shù)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)細(xì)分式驅(qū)動電路。
本發(fā)明的細(xì)分控制電路由可逆計(jì)數(shù)器(1)、與步進(jìn)電機(jī)相數(shù)相等數(shù)量的存貯器ROM(6)、D/A轉(zhuǎn)換器(7)組成?？赡嬗?jì)數(shù)器對步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)控制脈沖信號fup計(jì)數(shù)或?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)控制脈沖信號fdn減計(jì)數(shù)，以控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，存貯器ROM(6)按不同的細(xì)分度要求、不同的步進(jìn)電機(jī)相數(shù)和不同的相繞組固化了相應(yīng)的電流值序列，可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值作為存貯器ROM(6)的地址信號，存貯器ROM(6)的輸出數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器(7)轉(zhuǎn)化為模擬信號VA，VA作為驅(qū)動電路的電流給定信號，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)電流的高精度控制，從而達(dá)到較高的細(xì)分精度。
本發(fā)明的驅(qū)動電路由步進(jìn)電機(jī)相數(shù)相等數(shù)量的電流控制電路(2)和DC/DC轉(zhuǎn)換器(3)構(gòu)成，其中電流控制電路(2)由電流調(diào)節(jié)器(8)、電流取樣電路(11)、脈沖寬度控制器(9)和功率驅(qū)動(10)組成，電流調(diào)節(jié)器(8)的給定信號為細(xì)分控制電路的輸出模擬信號VA，電流取樣電路(11)將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電流經(jīng)取樣放大后作為電流調(diào)節(jié)器(8)的反饋信號，電流調(diào)節(jié)器輸出信號接至脈沖寬度控制器(9)進(jìn)行脈沖寬度控制。
脈沖寬度控制器(9)采用了脈沖寬度控制(PWM)集成電路，其輸出脈沖信號接至功率驅(qū)動(10)，控制步進(jìn)電機(jī)繞組電流跟隨電流給定信號VA。
功率驅(qū)動電路(10)將步進(jìn)電機(jī)(5)繞組中的電感貯能釋放到電源VDD，DC/DC轉(zhuǎn)換器將此能量回饋至直流電源(4)的VCC中。
本發(fā)明的解決方案可進(jìn)一步對照以下附圖加以說明。


圖1是本發(fā)明的原理框圖。
圖2是本發(fā)明電流控制電路(2)的原理框圖。
圖3是電流控制電路(2)的原理圖。
圖4是DC/DC轉(zhuǎn)換器(3)的原理圖。
圖5是可逆計(jì)數(shù)器(1)的原理圖。
圖6是存貯器ROM(6)和D/A轉(zhuǎn)換器(7)的原理圖。
圖3、圖4、圖5、圖6構(gòu)成本發(fā)明最佳實(shí)施方案。
各圖中單元代號表示如下1-可逆計(jì)數(shù)器;2-電流控制電路;3-DC/DC轉(zhuǎn)換器;4-直流電源;5-步進(jìn)電機(jī);6-存貯器ROM;7-D/A轉(zhuǎn)換器;8-電流調(diào)節(jié)器;9-脈沖寬度控制器;10-功率驅(qū)動;11-電流取樣電路。
直流電源(4)和步進(jìn)電機(jī)(5)不屬于本發(fā)明。
圖5所示可逆計(jì)數(shù)器(1)由3只4位二進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74HC193(U7、U8、U9)構(gòu)成12位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，對脈沖控制信號fup加計(jì)數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，對脈沖控制信號fdn減計(jì)數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。
圖6所示存貯器ROM(6)由EPROM2732構(gòu)成，在存貯器ROM(6)的內(nèi)存單元中固化有按不同的細(xì)分度要求、不同的步進(jìn)電機(jī)相數(shù)和不同相序的電流值數(shù)據(jù)序列，存貯器ROM(6)的地址信號為圖5所示可逆計(jì)數(shù)器(1)之輸出值，存貯器ROM(6)的輸出信號為對應(yīng)于該地址的內(nèi)存單元中的給定電流值數(shù)據(jù)，它作為D/A轉(zhuǎn)換器(7)之輸入數(shù)據(jù)信號。
D/A轉(zhuǎn)換器(7)由D/A轉(zhuǎn)換集成電路DAC0832(U3)、運(yùn)算放大器LM324(U2C)、D2和R5構(gòu)成，其中D2和R5產(chǎn)生D/A轉(zhuǎn)換器集成電路U3的電壓基準(zhǔn)，來自存貯器ROM(6)的輸出數(shù)據(jù)(電流給定的數(shù)字信號)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓信號VA，VA將作為電流調(diào)節(jié)器(8)的電流給定信號。
圖3所示電流取樣電路(11)由運(yùn)算放大器LM324(U2A)、取樣電阻R4、電阻R6、R7、R8、電容C4構(gòu)成取樣放大電路，其輸出信號作為電流反饋信號接至電流調(diào)節(jié)器(8)之電阻R5端。
電流調(diào)節(jié)器(8)由運(yùn)算放大器LM324(U2B)、電阻R9、R10、R11、電容C5構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，VA為電流給定信號，其輸出信號接至脈沖寬度控制器(9)進(jìn)行脈沖寬度控制。
脈沖寬度控制器(9)由PWM集成電路TL494(U1)、電容C1、C2、C3、電阻R1、R2、R3構(gòu)成，其脈寬調(diào)制信號來自電流調(diào)節(jié)器(8)之端出端，并由C1濾除高頻干擾信號，接至TL494(U1)第3端，C5為U1內(nèi)部基準(zhǔn)電壓濾電容，R1、C3為U1定時(shí)電路，確定脈沖寬度控制器(9)的振蕩頻率，其輸出經(jīng)R2、R3接至功率驅(qū)動(10)，脈沖寬度控制器(9)輸出脈沖的占空比隨輸入調(diào)制信號變化。
功率驅(qū)動(10)由場效應(yīng)晶體管Q1、二極管D1構(gòu)成，Q1柵極受脈沖寬度控制器(9)控制，當(dāng)Q1柵極加高電平而導(dǎo)通時(shí)，VCC經(jīng)步進(jìn)電機(jī)(5)之繞組、Q1、電流取樣電阻R4到地線構(gòu)成第一回路，步進(jìn)電機(jī)(5)之繞組電感電流增大(貯能增加);當(dāng)Q1柵極加低電平時(shí)，Q1截止，這時(shí)VCC經(jīng)步進(jìn)電機(jī)(5)之繞組和D1到VDD構(gòu)成第二回路，步進(jìn)電機(jī)(5)繞組電感貯能向VDD釋放，繞組電流減小，VDD能量增加電壓升高，由于VDD上接有圖4所示DC/DC轉(zhuǎn)換器(3)，能把這部分能量經(jīng)變換后回饋至電源VCC上，故VDD電壓不會無限制升高，而是穩(wěn)定在VDD＝2VCC上。
由于Q1開關(guān)頻率很高(可達(dá)到100KHZ以上)，其工作周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于步進(jìn)電機(jī)(5)繞組電感的充放電時(shí)間常數(shù)，故繞組中電流紋波很小。同時(shí)由于取樣電路(11)、電流調(diào)節(jié)器(8)、脈沖寬度控制器(9)組成閉環(huán)調(diào)節(jié)電路的控制，使步進(jìn)電機(jī)(5)繞組電流能精確按比例跟隨電流給定值VA，達(dá)到較高的動態(tài)和靜態(tài)性能。
圖4所示DC/DC轉(zhuǎn)換器(3)由下列部分構(gòu)成①由電感器L1、L2、電容器C7、C8、二極管D3、場效應(yīng)管Q3構(gòu)成極性反轉(zhuǎn)升降壓型直流變換主電路結(jié)構(gòu)(DC/DC轉(zhuǎn)換主電路)，輸入端為VDD，輸出端正極連接于VCC上，輸出負(fù)極連接于接地端?？刂芉2開關(guān)之占空比，即可控制輸入端電流的大小，也就是說可控制VDD中能量之回饋量，從而達(dá)到穩(wěn)定VDD電壓之目的。
②運(yùn)放U5B、電阻R17、R18、R19、電容器C9構(gòu)成比例一積分電壓調(diào)節(jié)器，穩(wěn)壓管D4作為電壓調(diào)節(jié)器之輸出限幅，電壓調(diào)節(jié)的電壓給定為-VCC，電壓反饋為VDD，其輸出作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號。
③由運(yùn)放U5A、電阻R20、R21、電容器C10構(gòu)成積分電流調(diào)節(jié)器，其給定信號為電壓調(diào)節(jié)器之輸出信號，電流反饋信號來自電阻R16、R14、電容器C6構(gòu)成的電流取樣電路。
④由集成開關(guān)控制器SG3525(U6)、電阻R22、R12、R23、電容器C11、C12構(gòu)成脈寬控制電路，其輸入信號為電流調(diào)節(jié)器之輸出，輸出脈沖占空比受電流調(diào)節(jié)器輸出信號控制，輸出脈沖去控制場效應(yīng)管Q2，實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。
⑤由電流調(diào)節(jié)器、脈寬控制電路、直流變換主電路和電流取樣電路構(gòu)成電流控制環(huán)路，由于其位于電壓控制環(huán)內(nèi)，故稱為電流內(nèi)環(huán)。另外，電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、脈寬控制電路、直流變換主電路和電壓反饋電路構(gòu)成電壓控制環(huán)路，稱為電壓外環(huán)。其控制的最佳實(shí)施方案為電阻R17的阻值等于電阻R18的阻值，這時(shí)VDD＝2VCC。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是①細(xì)分精度高。由于采用它激型的電流控制電路及DC/DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成驅(qū)動電路主體，其斬波頻率可高達(dá)100KHZ以上，步進(jìn)電機(jī)繞組中電流紋波很小，故可以對繞組電流進(jìn)行精確控制，達(dá)到較高的細(xì)分精度，同時(shí)在低頻時(shí)消除了振蕩現(xiàn)象。
②適當(dāng)提高VCC之電壓值，可以提高步進(jìn)電機(jī)的工作頻率。
③通用性強(qiáng)。不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)只要配以與相數(shù)相同數(shù)量的存貯器ROM(6)、D/A轉(zhuǎn)換器(7)和電流控制電路(2)，并在各存貯器ROM中固化相應(yīng)的驅(qū)動電流數(shù)據(jù)，即可對不同相數(shù)、不同細(xì)分要求的步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制。同時(shí)對具有公共節(jié)點(diǎn)的星形接法或獨(dú)立相繞組引線的步進(jìn)電機(jī)均適用。
4.效率高。由于采用了PWM型電流控制電路，并由DC/DC轉(zhuǎn)換器將步進(jìn)電機(jī)繞組電感貯能回饋至電源輸入端，固效率較高。
權(quán)利要求
1.一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分式驅(qū)動電路，包括細(xì)分控制電路和驅(qū)動電路；細(xì)分控制電路由可逆計(jì)數(shù)器(1)、與步進(jìn)電機(jī)相數(shù)相等數(shù)量的存貯器ROM(6)和D/A轉(zhuǎn)換器(7)構(gòu)成；其特征在于可逆計(jì)數(shù)器(1)對步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)控制脈沖信號fup加計(jì)數(shù)或?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)控制脈沖信號fdn減計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值作為存貯器ROM(6)的地址信號，存貯器ROM(6)的輸出數(shù)據(jù)由D/A轉(zhuǎn)換器(7)轉(zhuǎn)換為模擬信號VA，VA作為驅(qū)動電路的電流給定信號，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制。
2.驅(qū)動電路由與步進(jìn)電機(jī)相數(shù)相等數(shù)量的電流控制電路(2)和DC/DC轉(zhuǎn)換器(3)組成;其特征在于a.電流控制電路(2)由電流調(diào)節(jié)器(3)、脈沖寬度控制器(9)、功率驅(qū)動(10)和電流取樣電路(11)組成步進(jìn)電機(jī)它激式脈寬調(diào)制(PWM)電流閉環(huán)控制電路;b.功率驅(qū)動(10)將步進(jìn)電機(jī)(5)繞組的電感貯能釋放至電源VDD，DC/DC轉(zhuǎn)換器(3)將功率驅(qū)動(10)釋放至電源VDD的步進(jìn)電機(jī)(5)繞阻的電感貯能回饋至直流電源(4)的VCC。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動電路，其特征在于其功率驅(qū)動(10)由功率場效應(yīng)管Q1和二極管D1組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動電路，其特征在于脈沖寬度控制器(9)采用了脈沖寬度控制集成電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動電路，其特征在于DC/DC轉(zhuǎn)換器由電阻R20、R21，電容器C10和運(yùn)算放大器U5A構(gòu)成的電流調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)和由電阻R17、R18、R19、電容器C9、穩(wěn)壓二極管D4、運(yùn)算放大器U5B構(gòu)成的電壓調(diào)節(jié)器外環(huán)組成電壓、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動電路，其特征在于DC/DC轉(zhuǎn)換器(3)控制VDD的電壓值與VCC的電壓值之比為2∶1。
全文摘要
本發(fā)明是一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分式驅(qū)動電路，由細(xì)分控制電路和驅(qū)動電路組成，細(xì)分控制電路由可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值從ROM中變換出對應(yīng)的電流值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后作為驅(qū)動電路的電流給定信號；驅(qū)動電路由它激式PWM電流閉環(huán)調(diào)節(jié)電路和DC/DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。本發(fā)明具有高斬波頻率、高細(xì)分精度、高效率、正反轉(zhuǎn)控制方便等優(yōu)點(diǎn)，可以對不同相數(shù)、不同細(xì)分要求的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制，同時(shí)對具有公共節(jié)點(diǎn)的星形接法或獨(dú)立相繞組引線的步進(jìn)電機(jī)均適用。
文檔編號H02P8/00GK1101466SQ93118390
公開日1995年4月12日 申請日期1993年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月8日
發(fā)明者狄清, 楊阿齊 申請人:狄清, 楊阿齊