一種實用的步進電機驅(qū)動電路

步進電機具有快速啟停、精確定位的特點，在數(shù)字控制領(lǐng)域經(jīng)常使用步進電機作為位置控制的執(zhí)行機構(gòu)．步進電機在快速運行中，要求驅(qū)動電路提供給步進電機繞組的驅(qū)動電流盡可能地接近其技術(shù)指標(biāo)要求的數(shù)值，以產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩．由于步進電機是感性負載，當(dāng)運行速度提高后要提高繞組的工作電流，必須提高電源電壓．實際應(yīng)用中，常采用的控制方式是高低壓恒流斬波控制．在筆者給西北軸承廠改造磨床的過程中，設(shè)計了一種實用的步進電機驅(qū)動電路，它可以驅(qū)動75BF003-130BF003四種型號的三相六拍反應(yīng)式步進電機，最高運行頻率每分鐘15 000步．該電路除具有恒流斬波的特性外，還具有過流保護和超溫保護的功能．經(jīng)過實際應(yīng)用，表明電路的可靠性很高，從未發(fā)生由于電機故障而燒壞大功率管的問題，特推薦給大家．

1 電路的結(jié)構(gòu)
　　電路(圖1)由速度判別電路，過流超溫檢測電路，A、B、C相驅(qū)動電路和電源組成．在該電路中，有單片機輸出的A相驅(qū)動信號(PA)、B相驅(qū)動信號(PB)、C相驅(qū)動信號(PC)和鎖相驅(qū)動信號(L)，均為低電平有效．驅(qū)動步進電機的高壓電源采用AC70V整流濾波后供給，鎖相電源采用AC4.5 V半波整流后供給．另外，電路還需要的+12 V和+5 V直流電壓采用對AC10V和AC5V經(jīng)過二極管整流濾波后獲得，數(shù)字電路所需要的電源通過板間接口J401由主機提供．


2 各部分電路介紹
2.1 速度判別電路
　　速度判別電路的核心是一片可重觸發(fā)單穩(wěn)CD4538(圖2)．當(dāng)單片機控制步進電機運行時，首先將鎖相驅(qū)動信號L置為高電電平，隨后PA、PB、PC按照A→AB→B→BC→C→CA→A(或AC→C→BC→B→AB→A→AC)的順序依次輪流出現(xiàn)低電平，從而驅(qū)動步進電機一步一步地運行．由于在運行過程中，PA、PB和Pc信號至少有一個會出現(xiàn)跳變(上升沿或下降沿)，而這種跳變經(jīng)過由電阻和電容(如R470、C411、R471、R490和D431等)組成的微分電路變成一個負脈沖加到8輸入端與非門U409的輸入端，進而在其輸出端產(chǎn)生一個正脈沖觸發(fā)單穩(wěn)U408A；U408A的輸出Q與鎖相驅(qū)動信號L經(jīng)過由鍺開關(guān)二極管D473、D474構(gòu)成的與門去控制A、B、C三相驅(qū)動電路的斬波電路．由于U408A的暫態(tài)時間大約是1 S，因此當(dāng)步進電機的運行速度低于每秒鐘l步時，速度判別電路先輸出約1 S的高電平，使各相驅(qū)動電路進行約1 S的恒流斬波動作，使步進電機迅速到位，隨后轉(zhuǎn)到鎖相狀態(tài)(步進電機各相的電流降到其工作電流的大約一半)，以降低步進電機的功耗．
　
2.2 過流、超溫檢測電路
　　過流、超溫檢測電路的核心是由電壓比較器LM393(U403A)構(gòu)成的施密特觸發(fā)器(圖3)．在該電路中，鍺開關(guān)二極管D437-D440構(gòu)成了1個或門，A、B、C三相電流檢測電阻上的電壓V1A、V1B 、V1C經(jīng)過該或門加到施密特觸發(fā)器的輸入端(U403A的3腳)．當(dāng)這3個電壓中有任意一個超過U403A的2腳設(shè)定電壓+0.2 V(鍺二極管的正向壓降)時，由電壓比較器LM393構(gòu)成的施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，其輸出為高電平；這個高電平一方面通過D441的正反饋使其輸出維持為高電平，另一方面其輸出經(jīng)過U407E反相(VP信號)將A、B、C相驅(qū)動電路的高壓開關(guān)管和鎖相開關(guān)管關(guān)斷，從而保護大功率三極管的安全．

　　S401-S406為安裝在6個大功率管上的常閉溫度開關(guān)，其動作溫度為70℃．當(dāng)6個功率管中的任意一個管殼溫度超過7O℃時，溫度開關(guān)斷開，高電平加到施密特觸發(fā)器的輸入端，從而使VP為低電平，將6個大功率管關(guān)斷，進而保護大功率三極管的安全．
　　該電路一旦翻轉(zhuǎn)，必須關(guān)閉電源才能夠恢復(fù)，這樣就避免了一旦外部條件恢復(fù)正常電路自動啟動，對操作工人產(chǎn)生傷害情況的發(fā)生．
2.3 各相繞組驅(qū)動電路
　　步進電機A、B、C三相繞組的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)完全一樣，現(xiàn)以A相驅(qū)動電路為例介紹其工作原理．在圖4中，A和A'間接人步進電機的A相繞組，V1A是A相繞組取樣電阻上的電壓，該電壓的大小反映了A相繞組中電流的大?。甊411和C401構(gòu)成上電復(fù)位電路，當(dāng)電路剛上電時，K1出現(xiàn)一個短暫的低電平，從而關(guān)閉鎖相開關(guān)管BG405，避免步進電機A、B、C三相同時通電情況的發(fā)生．T401為脈沖變壓器，采用Φ35 mm的鐵氧體磁罐制作．在這里之所以將高壓開關(guān)管BG404的驅(qū)動采用變壓器耦合是為了避免前級驅(qū)動電路出現(xiàn)故障時，造成高壓開關(guān)管長期導(dǎo)通，進而燒毀現(xiàn)象的發(fā)生．大功率開關(guān)管BG404和BG405采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MJ13333，其耐壓400 V，IcM為20 A，PcM為175 W．75BF003-130BF003型步進電機的繞組電流為3～10 A，故選用MJ13333完全可以滿足需求．MJ13333上裝有指叉形散熱器，機箱中安裝4個軸流風(fēng)扇解決系統(tǒng)的散熱問題．步進電機各繞組運行電流的調(diào)整可通過改變相電流取樣電阻R417和R419的阻值來實現(xiàn)．鎖相電流的改變通過調(diào)整鎖相電源的電壓來實現(xiàn)．

　　在正常工作中，K為高電平，當(dāng)PA為低電平時表明A相繞組需要加電．這時，由于A相繞組中的電流為0，VIA的電壓也為0，由電壓比較器LM393(U403B)組成的施密特觸發(fā)器輸出高電平．同時由于PA為低電平，故三輸入與非f-j U401A和U401C的輸出為低電平，進而使鎖相開關(guān)管BG405和高壓開關(guān)管BG404導(dǎo)通，近100 V的直流電壓加到A相繞組上． 當(dāng)A相繞組中的電流超過6 A(以110BF003三相六拍反應(yīng)式步進電機為例)，U403B輸出變?yōu)榈碗娖?，從而使高壓開關(guān)管BG404截止，這時A相繞組僅由鎖相電源提供電流，繞組中的電流開始下降，當(dāng)A相電流下降使VIA的電壓小于U403B正輸入端(5腳)的電壓，高壓開關(guān)管BG404重新導(dǎo)通，100 V高壓重新將A相繞組的電流提高，如此反復(fù)形成了恒流斬波的工作方式．在這里，電阻R421的存在使U403B的狀態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一定的回差，避免了U403B的連續(xù)高速翻轉(zhuǎn)，改變R421的大小，可以改變斬波的頻率．
　　在鎖相狀態(tài)時，由于鎖相驅(qū)動信號L為低電平，K信號也為低電平，故而高壓開關(guān)管截止．若這時PA為低電平，則鎖相開關(guān)管BG405導(dǎo)通，A相繞組由AC4.5 V半波整流后的鎖相電源提供電流，此時繞組電流約為其工作電流的一半．這樣可以降低步進電機的功耗，進而減少電路和電機的發(fā)熱量．一旦出現(xiàn)繞組短路或高壓開關(guān)管擊穿的情況，VIA的電壓會迅速達到2.1 v(對應(yīng)繞組電流約13 A)，這時過流檢測電路會立即使VP為低電平，馬上使鎖相開關(guān)管截止，避免電路故障的進一步擴大，保護驅(qū)動電路和步進電機．在實際調(diào)試中，筆者曾將步進電機的繞組用導(dǎo)線短路，結(jié)果保護電路立即動作；關(guān)閉電源，拆除短路線后，重新接通電源，電路恢復(fù)正常工作．

3 結(jié)語
　　在該電路研制成功后，將其應(yīng)用到西北軸承廠二十余臺經(jīng)濟型磨床數(shù)控系統(tǒng)中，徹底解決了原來數(shù)控系統(tǒng)的步進電機驅(qū)動電源在夏季頻繁燒毀的問題．在長達三年的運行過程中，利用該電路作為步進電機驅(qū)動電源的數(shù)控系統(tǒng)從未發(fā)生由于超溫、過流而燒毀大功率管的情況．實驗證明，該電路是可靠的，可以在用微電腦技術(shù)改造老機床中推廣使用．