一种新型步进电动机驱动器设计

表 1 八种不 同细分模式表
M1
输入
M2
M3
模式 (细分数 )
00001111 00110011 01010101 1 /2 1 /8 1 /10 1 /16 1 / 20 1 / 32 1 / 40 1 / 64
需要说明的是, 由于细分实时设置功能在电机 运行过程中进行动态细分调节, 当电机转速较快时, 如果细分数调节幅度过大, 可能会导致电机转速指 令变化过快, 致使电机运行不平稳或发生失步现象, 影响系统性能。因此, 实际运行中该功能应结合负 载特性及系统运行特点, 在适当的电机运行状态下 逐步进行调节。
的步进电动机驱动器, 可以实现实时细分可调、可调
半流锁定等功能, 具有输入电 压范围宽, 输出电流
大, 体积小, 易于控制, 接口可靠, 抗干扰能力强, 方
便采用 M CU 控制等特点。
1 系统结构设计
1. 1 结构概述
本驱动以 THB6064H 为核心, 设计了外围控制
及状态接口, 可以方便地与各种上位机控制器配合
当系统控制步进电动机工作时, 输出脉冲电压 包含大量高次谐波。由于模块本身的功率地和控制 地共地, 极易通过地线对上位机构成电磁干扰。为 了防止电磁干扰导致上位机误操作, 影响系统的可 靠性及稳定性, 本设计中加入了控制信号隔离模块 和保护信号隔离模块, 将上位机与驱动器间的通讯 信号进行光电隔离。其中细分、正反转、复位、使能 信号以及驱动经保护信号隔离模块反馈给上位机的 温度及过流保护信号为低频信号, 为了降低成本, 提 高系统可靠性, 本设计中选用隔离光耦 TLP521; 上 位机通过控制信号隔离模块提供 给驱动器的 CLK 信号, 频率最高可达到 100 kH z, TLP521无法满足要 求, 本设计中选择高速光耦 6N137。经实验验证, 可 以很好地满足要求。图 2为隔离模块原理图。
2 系统参数设计
2. 1细分实时设置 为了满足步进电动机低速运行精度高及高速运
2010年第 10期
行响应快的动态特性要求, 本驱动器设计了实时可 调细分数功能。系统运行过程中, 上位机可根据需 要实时调节输出信号的细分数。M 1、M 2、M 3 为细分 数设置端口。系统设置细分数时, 上位机通过相应 接口传入控制信号, 由控制信号隔离模块对信号处 理后, 发送至设置端口 M 1、M 2、M 3 用来选择电机细 分状态。输入不同值可选择八种不同的细分模式, 如表 1所示。
K ey word s: stepper m o to r; subdiv is ion dynam ic regu la tion; THB6064H
0引 言
作为工业领域广泛应用的控制电机, 步进电动 机具有出色的开环性能, 易于实现数字化、智能化控 制。受自身结构的限制, 步进电动机必须有相应驱 动器配合才可以工作 [ 1 ] 。因此, 步进电动机的应用 效果很大程度上取决于驱动器的品质。在一些高性 能应用场合中, 要求步进电动机具有低速运行精度 高及高速运行响应快等优良的动态特性。同时, 在 位置伺服系统中要求步进电动机以一定的保持力矩 稳定在特定位置。因此对步进电动机的驱动技术提 出了更高的要求。
图 4 TH B6064H 外围电路原理图
D 驱动控制 rive and con trol
2. 3 最大输出电流设置
在实际应用中, 功率器件过流是导致驱动器烧 毁的主要 原因。本文设计调 节半流锁定 [ 3] 及最大
输出电流限制电路, 可以有效地防止工作异常时电
流过大。如图 4 所示, 端口 REF 电压 为电流 设定
压的要求。
V ou t
1. 25( 1 + R 111 ) R 112
( 1)
1. 2. 3 THB6064H 辅助电路
TH B6064H 是集成控制及驱动的一体化驱动模
块, 便于步进电动机驱动器设计。但同时, 随着模块
集成度及复杂程度的提高, 对模块应用的可靠性方
面必须进行认真的研究。步进电动机驱动存在脉冲
型 步
为了防止电源接线误操作, 在电源中串接一个二极
进 电
管。如图 3所示, 图中 24 V 为功率电, 5 V 为 控制
动 电。驱动芯片 TH B6064H 的功率电电压可达 42 V,
机 驱
而其控制信号是 TTL 电平, 芯片需 5 V 供电 [ 3] 。本
动 器
设计中选用芯片 LM 317将功率电转换为 5 V 的控
通常的步进电动机驱动器采用功率管构成全桥 结构 [ 2 ] , 然后通过单片机控制步进电动机工作。这 种设计具有电路简单、成本低、可 提供功率高等 优 点。但这类驱动器难以实现细分可调、半流锁定等 功能。采用专用步进电动机驱动模块, 通过设计相 应的外围电路构成完整的步进电 动机驱动器的 方 案, 具有控制方便、简单易行、可靠性高等优点, 非常 适合于小功率高精度伺服系统应用场合。本文针对 小型步进电动机设计基于专用驱动芯片 TH B6064H
端, 调节此端电压 V ref即可设定驱动器最大输出电流 值, 两者关系如下:
Io = Vref
11 3 Rs
( 2)
R s 为检测电阻, 本设计中为 R 118和 R 119。通过
R116和变阻器 R 115对 5 V 分压为端口 REF提供电压,
2010年第 10期
一种新型步进电动机驱动器设计
D 驱动控制 rive and con trol
闫要岗, 骆光照, 李 斐, 李钰玺
( 西北工业大学, 陕西西安 710129)
摘 要: 针对工业应用场合下中小型步进电动机低速运行 精度高及 高速运行响 应快等要求 , 提出 一种基于 专 用步进电动机 驱动芯片 THB6064H 的两相式步进电动机驱动器设计方案。实现了 动态细分调 节、可调 半流锁定 及 过流 过热保护等功能, 给出了电路原理图及参数计算方法 , 并进行了相应的硬件 调试及实验。 实验结果表 明, 该 设 计工 作电压范围宽、负载能力强、动态响应快、抗干扰能力强, 有较强的实用价值。
图 3 电源模块原理图
图 3的控制电转换模块电路中, 由式 ( 1) 可以
得出: V ou t为
5
V
时,
R 111 R 112
=
3。本设计中选择 R 112 =
220 , R111 = 680 , 经实验验证, 输出电压约为 5. 1
V, 可以满足要求。 LM 317为宽电压输入器件, 输入
电压范围为 5 ~ 45 V, 可以满足驱动芯片对功率电
关键字: 步进电动机; 动态细分调节; TH B6064H 中图分类号: TM 383. 6 文献标 识码: A 文章编号: 1004- 7018( 2010) 10- 0051- 04
A Novel Dr iver D esign of Stepp ing M otors
YAN Yao- gang, LUO G uang - zhao, LI F ei, LI Yu - x i ( Northw estern Po ly techn ical Un iversity, X ia'n 710129, Ch ina)
2. 2 衰减方式设置 本驱动提供三种衰减方式可以选择, 选择适当
的衰减方式, 可以改善步进电动机的运行状况。驱 动应用中, 需要驱动的步进电动机选定后, 衰减方式 相应地也就确定, 不会在应用过程中再改变, 所以本 设计中采用硬件选择的方式确定衰减方式, 一次设 置后, 不会在使用过程中改变, 提高系统可靠性。端 口 PFD 为衰减方式控制端, 调节此端口电压可以选 择不同的衰减方式。当 3. 5 V < VPFD < VDD时, 为慢 衰减方式; 当 1. 1 V < VPFD < 3. 1 V 时, 为混合式衰减 方式; 当 0< VPFD < 0. 8 V 时, 为快衰减方式 [ 3 ] 。如 图 4所示, 在本设计中, 由变阻器 R 114对 5 V 分压后 为 VPFD供电, 所以调节变阻器 R114的电阻值, 改变端 口 PFD 的电压值就可以选择相应的衰减模式。
由图 1可以看出, 该驱动器围绕 THB6064H 展 开设计, 包含控制信号 隔离模块、保护信号隔离 模 块、驱动器供电及电源模块、功能设置模块等模块, 可通过上位机发出细分、正反转、复位、使能等控制 以及时钟信号, 通过驱动器就可以方便地控制步进 电动机运行。同时, 通过保护信号隔离模块将温度 以及过流保护信号等反馈给上位机, 方便实施过温 保护及过流保护。 1. 2 系统硬件设计 1. 2. 1 隔离模块
设 计
制电, 为驱动芯片提供电源, 如图 3所示。当系统控
制电没有加上时, 驱动器的状态无法确定, 如果加入
功率电, 可能会发出错误的动作指令, 所以必须保证 52 先上控制电, 后上功率电。如图 3所示, 本设计中外
2010年第 10期
部引入电源经过一个继电器后才作为驱动芯片的功 率电源, 即图中 24_M。该继电器的控制端由系统的 控制电控制, 只有控制电已经转换完毕, 继电器才 会导通为驱动芯片提供功率电; 如果控制电转换模 块发生故障, 无法保证系统控制部分供电电平, 继电 器就会自动切断驱动芯片的功率电供电, 保证系统 的可靠性。
工作。上位机控制器通过相应接口, 将控制指令发
送至该驱动器, 可以驱动步进电动机运行, 完成系统
伺服控制。驱动器结构框图如图 1所示。
一 种 新 型 步 进 电 动 机 驱 动 器 设 计
收稿日期: 2010 - 05- 24
图 1 系统结构框图
51
D 驱动控制 rive and con trol
电压快变、电流冲击大的特点, 因此必须对高频驱动
下的供电、续流、衰减及过流保护等外围辅助电路进
行仔细设计。图 4为本系统中应用的辅助电路原理