步進馬達驅動電路的工作原理與設計解析-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-01-11
步進電機驅動電路設計解析步進電機在控制系統(tǒng)中具有普遍的應用。它能夠把脈沖信號轉換成角位移,并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)作器等。有時從一些舊設備上拆下的步進電機(這種電機普通沒有損壞)要改作它用,普通需本人設計驅動器。
1. 步進電機的工作原理該步進電機為一四相步進電機,采用單極性直流電源供電。只需對步進電機的各相繞組按適宜的時序通電,就能使步進電機步進轉動。圖1是該四相反響式步進電機工作原理表示圖。
開端時,開關SB接通電源,SA、SC、SD斷開,B相磁極和轉子0、3號齒對齊,同時,轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒,2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。
當開關SC接通電源,SB、SA、SD斷開時,由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用,使轉子轉動,1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒,2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推,A、B、C、D四相繞組輪番供電,則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。
四相步進電機依照通電次第的不同,可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等,但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半,因而,八拍工作方式既能夠堅持較高的轉動力矩又能夠進步控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示:
AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4~P1.7輸出,經74LS14反相后進入9014,經9014放大后控制光電開關,光電隔離后,由功率管TIP122將脈沖信號停止電壓和電放逐大,驅動步進電機的各相繞組。
使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和中止等動作。圖中L1為步進電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振,選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。
圖3中的RL1~RL4為繞組內阻,50Ω電阻是一外接電阻,起限流作用,也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。D1~D4為續(xù)流二極管,使電機繞組產生的反電動勢經過續(xù)流二極管(D1~D4)而衰減掉,從而維護了功率管TIP122不受損壞。
在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個200μF電容,能夠改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿,進步了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時間常數(shù),使繞組中電流脈沖的后沿變陡,電流降落時間變小,也起到進步高頻工作性能的作用。
2.軟件設計
該驅動器依據(jù)撥碼開關KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇:
方式1為中綴方式:P3.5(INT1)為步進脈沖輸入端,P3.7為正反轉脈沖輸入端。上位機(PC機或單片機)與驅動器僅以2條線相連。
方式2為串行通訊方式:上位機(PC機或單片機)將控制命令發(fā)送給驅動器,驅動器依據(jù)控制命令自行完成有關控制過程。
方式3為撥碼開關控制方式:經過K1~K5的不同組合,直接控制步進電機。
當上電或按下復位鍵KR后,AT89C2051先檢測撥碼開關KX、KY的狀態(tài),依據(jù)KX、KY 的不同組合,進入不同的工作方式。以下給出方式1的程序流程框圖與源程序。
在程序的編制中,要特別留意步進電機在換向時的處置。為使步進電機在換向時能平滑過渡,不至于產生錯步,應在每一步中設置標志位。其中20H單元的各位為步進電機正轉標志位;21H單元各位為反轉標志位。
在正轉時,不只給正轉標志位賦值,也同時給反轉標志位賦值;在反轉時也如此。這樣,當步進電機換向時,就能夠上一次的位置作為起點反向運動,防止了電機換向時產生錯步。
3.步進電機細分驅動電路
為了對步進電機的相電流停止控制,從而到達細分步進電機步距角的目的,人們曾設計了很多種步進電機的細分驅動電路。隨著微型計算機的開展,特別是單片計算機的呈現(xiàn),為步進電機的細分驅動帶來了便利。
目前,步進電機細分驅動電路大多數(shù)都采用單片微機控制。單片機依據(jù)請求的步距角計算出各相繞組中經過的電流值,并輸出到數(shù)模轉換器(DPA) 中,由DPA 把數(shù)字量轉換為相應的模仿電壓,經過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上,控制功放電路給各相繞組通以相應的電流,來完成步進電機的細分。
單片機控制的步進電機細分驅動電路依據(jù)末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關型兩種(見下圖5)。
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