金育东(江苏连云港市102信箱222001)

l  引  言

    斩波型步进电机驱动器是目前较为流行的一种步进电机功率接口。斩波驱动器的基本原理是采用较高的电源电压供电，因而绕组中电流上升很快，而一旦电流达到额定值，电路自动切断绕组充电回路，绕组中的电流开始下降，下降到一定值时，又接通绕组充电回路，使电流回升，如此循环，将绕组中的电流维持在额定值附近，从而使驱动电路在使用较高电源电压的同时，无需外接大功率电阻限制额定电流及减小时间常数。所以，具有电源利用率高、体积小、热损耗小、电机高、低频工作性能佳等优点。

    恒频脉宽调制型功放是斩波功放中的一种，它具有恒定的开关斩波频率，该频率在一定范围内不受负载时间常数的影响。而绕组额定电流的维持是靠调节绕组的充放电时间比例实现的。因而，与其它斩波型驱动器相比，有以下优点：

    a．可以选用较高的斩波频率。一方面由于斩波频率选在超声波范围内，另一方面斩波频率高，使绕组中电流波形顶部锯齿变小，从而明显降低电磁噪声。

    b．电机各相绕组选用相同的斩波频率，防止噪声的产生。

    传统上采用分立元件或小规模集成电路组成的脉宽调制型驱动器，使用元件多，调试复杂，可靠性差。笔者采用脉宽调制器TL494构成的恒频脉宽调制功率驱动器，在80～100V时，可长期输出6A电流，工作可靠。另外，用VMOSFET作为功率输出级，使整机结构进一步简化，调试方便。

2脉宽调制器TL494

    TL494是构成恒频脉宽调制功放的核心。它是一种专用脉宽调制集成电路，采用DIP16脚封装，其方框图见图1，工作波形见图2。

TL494的核心是脉宽调制(PWM)比较器。比较器的反相输出端接至内部锯齿波振

荡器的输出端。其振荡频率由下式决定：

    式中RT、cT分别为TL494第6、5脚的外接定时电阻、电容。PWM比较器的同相端接至两个独立的误差放大器的输出。在本驱动器中，一个作为步进脉冲控制接口，另一个作为电流采样放大器。

    TL494的第4脚是死区时问控制端．利用它可方便地改变调制器的死区时间，也可设计软起动或保护电路。第13脚是输出控制端，可使输出Q1、Q2工作在并联或推挽状态。TL494的工作电压达42V，两个输出晶体管并联时电流达500mA。

    由图1、2可见，TL494的输出脉冲频率由RT、cT决定。输出脉宽由误差放大器的输出电平决定。改变误差放大器的输出电平，即可改变输出脉宽，进而改变电机绕组的充放电时间，实现恒频恒流斩波。

3  电路组成

    整机由脉宽调制功放及保护电路组成。

3．1脉宽调制功放

    脉宽调制功放电路见图3。图示电路是步进电机一相驱动器，其余各相均相同。由图可见，TL494外围电路很简单，其中V5、V9分别为P沟道和N沟道功率场效应管，V6、V7为快恢复二极管。采用功率场效应管作为输出级，一是可有较高的开关频率。二是FET为电压型器件，驱动电路简单，进一步简化电路结构。三是安全工作区不受一次击穿的限制，驱动器运动更为可靠。

TL494的第16脚接固定参考电平1．4V。当步进脉冲高电平到来时，V8、V9导通；同时使误差放大器l输出低电平。此时R₁₇上的电压V_R17低于V_ref蹦，所以误差放大器2输出也为低电平，从而使PwM较器输出低电平。假设此时TL494的4脚也为低电

平，则死区比较器的输出也为低电平，从而使TL494的输出晶体管Q导通，V3、V5随之导通，电流经V+→V5→L→V9→R17→“地”回路给L充电，充电电流由下式决定

式中V+——电源电压

    R为V5、V9的导通电路、L内阻及R17之和。L为绕组电感。

    i按指数规律上升。R17上电压为：

也随之增加。经低通滤波后，加至TL494的第1脚。误差放大器2的输出：

式中，Z_F为R6、c3、R7组成的反馈回路阻抗，当Z_F足够大时，V_E2可简化为：

当VR17大于V_ref时，V_E2为正，且随(V_R17-Vr_ef)差值迅速增加。VE2与锯齿波比较后，PWM比较器有正脉冲输出，在正脉冲期间，使Q截止，V3、V5随之截止，电流开始下降。

由式(2)、(3)可知，改变V_ref,即可改变电机绕组额定工作电流I：

由式(1)、(2)、(4)可推知，步进电机绕组电流达到额定值时所需的时间为：

V5截止后，绕组中储存的能量按L→V6→地→R17→V9回路泄放，使i下降。VR17随之下降。据式(3)，误差放大器2的输出电平下降，与据齿波比较后，使输出晶体管Q又导通。V3、V5再次导通，V5截止,V+又给绕组L充电。可见，V_R17越大，误差放大器2的输出越大，输出晶体管Q的导通时间越小。L的充电时间越短，放电时间越长。反之，充电时间加长，放电时间缩短，从而电感L中的电流维持在额定值附近。锯齿波频率越高，电流波形的顶部越平滑，电机运行时电磁噪声越小。但频率升高，对功率输出管的要求也越高。一般取f_osc为20～40kHz。

    步进脉冲变为低电平时，V8、V9截止。同时误差放大器1的输出变高，使PwM比较器的输出变高，Q1、V3及V5均截止。绕组L中的电流经L→V5→地→V+→V7→L回路放电，放电回路见图4。

放电电流按下式变化。

  式中I——绕组中的额定工作电流

       R_放——绕组内阻及两个二极管的动态内阻由式(6)可知，由于放电回路中有电源V+反相加至绕组L上，使回路放电时间大为缩短，从而提高了驱动器的高频性能。同时，泄放电流又给电源充电，提高了电源效率。据式(6)可得电流由I下降到零所需的时间。

3．2保护电路

    驱动器的保护电路分功率保护及频率保护，功率保护包括过热保护、过流保护、过压保护、欠压保护，框图见图5。频率保护包括过驱动(低频)保护及过频保护，框图见图6。

3．2．1功率保护

    图5中，当过热、过流、过压或欠压任何一种情况发生时，LM339的相应输出变低，复位RS触发器，使相应RS触发器输出变低，指示灯亮。经四与门后输出一个控制信号，分别送至TL494的第4脚，关闭TL494的输出，V3、V5截止。同时通过二极管V10，使V8截止，V9也截止，并经光电耦合后输出一路报警信号。保护电路动作后，可经一单稳延时后自动复位开启或手动开启。由于复位端接于RS触发器的S端，故当故障仍然存在时，即R仍为低电平时，复位动作不起作用，电路仍处于保护动作状态。

3．2．2频率保护

    过驱动保护是指功率放大级的输入步进脉冲高电平时间超过设定值时，电路自动将参考电压V_ref切换到一个较低的电平，从而使绕组中的电流维持在一个较低的值上，以减小功耗。过频保护是指输入时钟频率超过设定值时，自动截止输出。

    图6中，单稳态A构成过频保护电路。单稳态的暂稳时间等于允许的****工作频率f_max的周期时间，则当输入频率fin小于．f_max时，单稳态有同输入时钟相同的频率输出。而当f_in大于f_max时，单稳态将一直处于触发状态，从而其输出将固定在一个电平上，无脉冲输出，步进电机停转。

    单稳态B构成过驱动保护电路，设单稳态的暂稳时间大于系统可能的****工作频率f_min的周期时间，则当环形分配器的输入时钟周期小于暂稳时间时，单稳态处于常触发状态，其输出固定为低电平，三极管V截止，不影响电路工作。反之，当输入时钟周期大于暂稳时间或发生过频保护时，单稳态的输出就可以回到“1”状态，使三极管导通，将参考电平切换到一个较低的值上，使绕组电流下降。

4结语

    本电路由于采用集成化的脉宽调制器TL494．作斩波控制元件，外加VMOSFEI、作为功率输出级，故它具有如下显著的优点：

    a．结构简单，调试方便。

    b。成本低、输出功率大、性能价格比高。

    c．电磁噪声小。

    d．电源利用率高，热损耗小。

e．保护措施完善，电路可靠性高。