五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路開發(fā)(論文翻譯)

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1、一種新的五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路開發(fā)T.S.維拉孔和T.薩馬拉納亞克斯里蘭卡，佩勒代尼耶大學(xué)工程學(xué)院，電子與電氣工程學(xué)院付自剛譯摘要本文詳細(xì)地介紹了一種新的五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。這種新的驅(qū)動(dòng)電路是由商業(yè)上現(xiàn)成的，廉價(jià)的，標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC搭建，它能實(shí)現(xiàn)由內(nèi)部電流回路驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)速度和位置控制。經(jīng)證明，這種驅(qū)動(dòng)電路能推廣到任何更多相數(shù)的奇數(shù)相的步進(jìn)電機(jī)。這種驅(qū)動(dòng)電路具有速度控制和方向控制，包括全步、半步、順時(shí)針、逆時(shí)針控制模式。一、概述在大多數(shù)機(jī)器人和自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)中，各種各樣步進(jìn)電機(jī)都被廣泛應(yīng)用來(lái)得到需要的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。步進(jìn)電機(jī)倍受人們青睞是因?yàn)樗恍枰l繁的維護(hù)并能在苛刻的環(huán)境中運(yùn)行。

2、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的選擇要根據(jù)具體應(yīng)用中需要的效果來(lái)決定。市場(chǎng)上最常見的是兩相和四相步進(jìn)電機(jī)?？墒?，實(shí)際應(yīng)用中要求高精度，低噪聲和低震動(dòng)，因此五相步進(jìn)電機(jī)得以應(yīng)用。因?yàn)椴骄嘟禽^小，五相步進(jìn)電機(jī)有較高的分辨率，較低的震動(dòng)和良好的加速與減速特性。因此，確保設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路能使步進(jìn)電機(jī)充分發(fā)揮這些優(yōu)點(diǎn)非常重要。因?yàn)樵跈C(jī)器人應(yīng)用中是很少見得類型，而且結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，很難找到它們的驅(qū)動(dòng)IC，只能專門定做。結(jié)果導(dǎo)致五相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)品異常昂貴。用普通步進(jìn)電機(jī)如二相與四相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制IC來(lái)制作其它步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。L297繼承了控制單極性和雙極性步進(jìn)電機(jī)所需要的所有控

3、制電路系統(tǒng)。L298N雙H橋驅(qū)動(dòng)器形成了一個(gè)完善的步進(jìn)電機(jī)微處理器接口。在這里，我們通過(guò)給L297和L298N加上微處理器和邏輯控制系統(tǒng)研究開發(fā)出了一種新的五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。第二部分解釋了元器件特性。第三部分介紹了控制邏輯電路設(shè)計(jì)。第四部分是接口設(shè)計(jì)，結(jié)果在第五部分。最后，第六部分加以總結(jié)。二、主要元器件特性分析如圖一所示，集成塊L297可以與H橋集成電路一起使用作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在該設(shè)計(jì)中，H橋的功能用L298N或者L293E實(shí)現(xiàn)。這要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的額定功率而定。輸入L297的控制信號(hào)可能來(lái)自為控制器或者外部開關(guān)。一個(gè)IC能驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩相雙極性永磁式步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)四相單極性永

4、磁式步進(jìn)電機(jī)或者一個(gè)四相變磁阻式步進(jìn)電機(jī)。因?yàn)橛玫降碾娮釉骷浅Ｉ?，該設(shè)計(jì)好處頗多，比如，花費(fèi)少，可靠性高，占用的空間相對(duì)較小。按照接收到的輸入信號(hào)的不同，L297產(chǎn)生三種不同模式的相位序列，即半步模式，全步模式和波形模式。圖一用L297和L298N構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩相單極性步進(jìn)電機(jī)或一個(gè)四相單極性步進(jìn)電機(jī)的電路圖A.電流控制小型步進(jìn)電機(jī)一般小型直流電源來(lái)控制繞組電流，它們的繞組電阻也是有限制的。在另一方面，擁有較大額定扭矩值的步進(jìn)電機(jī)具有較小的繞組電阻。因此，它們需要對(duì)電流進(jìn)行控制。L297以兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）斬波電路的形式提供負(fù)載電流控制，每個(gè)斬波電路由一個(gè)比較器，一個(gè)

5、觸發(fā)器和一個(gè)外部感應(yīng)電阻組成。在該理論中，當(dāng)電機(jī)電流增加時(shí)，控制系統(tǒng)將電源電壓施加到電機(jī)。如圖二所示，當(dāng)電流值達(dá)到閾值時(shí)，控制系統(tǒng)將通過(guò)改變電源電壓的占空比來(lái)維持電流的期望值。對(duì)于每一個(gè)斬波電路來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)電源電壓的占空比（D）定義為：D=Ton/(Ton+Toff),其中Ton和Toff分別是H橋的導(dǎo)通和斷開時(shí)間。在斬波電路中，觸發(fā)器由來(lái)自振蕩器的各個(gè)脈沖置位，從而允許輸出和允許負(fù)載電流增長(zhǎng)。感應(yīng)電阻兩端的電壓隨著負(fù)載電流的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)電壓增長(zhǎng)到Vref時(shí)，觸發(fā)器被重置，輸出中斷直到下次振蕩器脈沖到來(lái)。在該方法中，Vref決定了負(fù)載電流的峰值。圖二包含觸發(fā)器、振蕩器和電壓比較

6、器的電流控制電路圖三用于電流控制的PWM操作的電壓圖三展示了穿過(guò)電機(jī)的電流是如何被控制的。當(dāng)電機(jī)的電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，施加于電機(jī)端得電壓將降為零。因此，電流將會(huì)衰減，最終電機(jī)電流被控制住。L298N是一塊包含著兩個(gè)H橋的單片集成電路。此外，低位晶體管的發(fā)射極被引出來(lái)作為擴(kuò)展端子以允許電流敏感電阻的連接。B．抑制斬波模式下的電流控制抑制斬波控制模式和相位線斬波控制模式是當(dāng)今兩種最常見的電流控制技術(shù)。在后一種方式中，當(dāng)敏感電阻的電壓達(dá)到Vref時(shí),只有低端的開關(guān)斷開。因此這種方法并不適用，我們選用抑制斬波模式。需要的開關(guān)序列可以直接來(lái)自L297N。抑制斬波模式可以通過(guò)將L297N的CON

7、TROL端接地實(shí)現(xiàn)。然后斬波作用于INH端來(lái)控制通過(guò)電機(jī)線圈的電流。因此，L297輸出的INH信號(hào)對(duì)創(chuàng)造L298N的使能信號(hào)起著非常重要的作用。在敏感電阻的電壓達(dá)到Vref的情況下，斬波觸發(fā)器被重置，INH端子被激活并處于低電平狀態(tài)。然后，所有四個(gè)橋電路截止。斬波頻率由L2907內(nèi)部的振蕩器決定。在所有的晶體管截止之后，二極管為繞組電流提供轉(zhuǎn)移通路。在下一個(gè)振蕩周期里，H橋?qū)?。圖四說(shuō)明了當(dāng)相信號(hào)A處于高電平而相信號(hào)B處于低電平的時(shí)刻的電流控制情況。為了產(chǎn)生和INH1