一种三相步进电动机的细分驱动电路

钱振宇(上海电器科学研究所)

 

    随着数控技术的发展，特别是计算机控制技术的发展，步进电动机作为一种伺服电动机得到了日益广泛的应用。在一个自动控制系统中将一些数字信息转换成相应的线位移或角位移是必不可少的，而步进电动机的工作特点正好能够满足这种要求，因此它常常在控制系统中用作执行元件和功率驱动元件。

 

    步进电机的优点十分显著，但也有一些不足的地方，例如步进电动机是通过对序列脉冲的控制来工作的，每走一步都要产生一定的振动和噪音，特别是工作在低频段时，这种振动会影响加工工件的表面光洁度。为了使步进电动机也能象连续运转的伺服电动机一样平滑地运转，就要减小步进电动机的步距角，但是小步距角的步进电动机，机械加工困难。为此，从驱动线路着手，发展了一种称为细分的驱动方法。本文介绍一种采用集成化的hf-2步进电动机环形分配器专用电路构成三相十八拍细分驱动的线路(如有必要，利用文中线路的原理可构成细分量更大的线路)。

 

1 三相六拍制环形分配器专用集成电路

 

     环形分配器是一种采用ttl的集成电路，主要优点是：①hf-2是一个中规模集成电路，全部分配器线路集成在一个管芯之中，有利于提高系统的可靠性；②使用的电源电压为5v，可直接与现时的小型或微型计算机系统相配合；③电路输出级的驱动能力较强，在与后级功率放大器配合时，可简化功放电路的设计；④分配器的逻辑设计充分考虑了用户的各种要求，具有接线多样，使用灵活的特点。

 

    环形分配器的逻辑图以及波形图分别如图1和图2所示。

    图1中为线路的置位／复位控制端，是一个低电平的作用信

 

号，可使线路中的触发器qa置“l”，而使qb和q c置“o”．在线路正常工作时，此端应保持高电平。

 

     为正转或反转控制端。当输入信号为高电平时，分配器正转；为低电平时，分配器反转。使用时，可与步进电动机控制接口中的方向位相连。

 

    为时钟脉冲输入端。线路在输入脉冲的上升沿作用下可完成一步；正转或反转的操作。 是两个时钟脉冲的允许输入端。从图1中可知，只要这两个信号中有一个是低电平，就可使时钟脉冲作用到线路中三个触发器的cp端。当都是高电平时，时钟脉冲的输入通路被卡，因此分配器处在保持状态(即步进电动机处立自锁定位状态)。实用中可分别与步进电动机控制接口中的“忙”标志位以及“初始定位”标志相连(如果控制接口中没有这一条件，则可让两个端子自相连接后，再与busy相连，或者让其中的一个输入端子接在+5v线上)。

 

  为禁止输出的控制端子。一旦此信号变为高电平时可使分配器的三个输出管子全部处于截止状态。此时只要后级电路的连接得当，可使步进电动机三相绕组全部处在无电流通过的状态。这个端子可使用户在调机中，或作为系统的限位保护等带来方便；此外，这个端子还可解决系统中那些暂时不用的步进电动机的能耗问题。线路正常工作时，此输入端应保持低电平。

 

     为环形分配器的三组输出。这些输出端子并不是从线路触发器直接引出的，而是经过了一级受到信号控制的与门和一个集电极和发射极均开路的三极管才给以输出。这种处理方法提高了分配器的抗干扰能力，所以有利于提高整个系统的可靠性。

 

    由于这三组输出管采用集电极和发射极均开路的形式，加上驱动能力又比较大(接设计能力可达到30ma)，这就为hf-2环形分配器以不同的接线方式与后级功率放大器的连接创造了条件。图3画出了几种用环形分配器与后级电路的连接实例。其中图3a用于相电流较小的电动机；图3b和图3c则适用于相电流较大的电动机；图3d的双地接线方式可提高系统的抗干扰能力，图中控制电路与功率驱动电路分属两个地线系统，中间通过光电耦合器件进行线间的连接。

2三相十八拍细分电路

 

    所谓细分电路，就是在控制电路上采取一定的措施把步进电动机的每一步再分得细一点。以三相步进电动机为例，如选用的电动机的步距角为3°/1.5。(三相三拍工作时的步距角为3°,三相六拍工作时的步距角为1.5°)，则采用三相十八拍的细分驱动后，可使每一拍的驱动步距减为0．5°。步进电动机在细分状态下由于步距角变小，使转子到达新的稳定点上时所具有的功能也变小，从而振动显著减小。细分电路不但可以实现微量进给，而且可以保持系统原有的快速性，也提高了步进电动机在低频段运行的平滑性。此外，采用细分电路后，电动机绕组中的电流不是由零跃升到额定值，而是要经过若干小步的变化才能达到额定值，所以绕组中的电流变化比较均匀。

 

     图4给出了以三片电路为核心构成的三相十八拍细分驱动线路。

图4线路的关键在于三片电路的时钟脉冲通过一个移位寄存器进行分配。输入脉冲的第1、4、7……被接到1号分配器；输入脉冲的第2、5、8……被接到2号分配器；输入脉冲的3、6、9……被接到3号分配器。因此这三个分配器各对应相的输出波形依次要滞后一拍，见图5所示。

步进电动机每一相绕组的通电情况同时受到三个分配器对应输出端的控制。由于三个功率放大器的通电状态在时间上有先后不同，因此电动机每一相电流的波形就是三个功率放大器所提供驱动电流的迭加，如图6所示。

的作用下(对钟脉冲利用从高电平变低的瞬变经微分后形成)使qa、qb、q c分别置成1、0、0，为移位寄存器向1号环形分配器输送驱动脉冲作准备。随后由“0”变“1”  (初始设定结束)，74ls194的s 0和s 1将由的状态决定，其中s 0与之同相，  而s1与之反相。当为“1”时，74ls194将作右移，反之则作左移。74lsl94的时钟脉冲与环形分配器的驱动脉冲取自同一来源，但是环形分配器取用驱动脉冲的上升沿；而74ls194取用驱动脉冲的下降沿(经倒相后解决与74ls194的配合)，两者相差半拍，这样在驱动脉冲的上升沿使相应的环形分配器走过一步，而在驱动脉冲下降沿的形成过程中使74ls194移过一位，为下一次驱动脉冲分配作好准备。基于类似的原理，当方向位切换的时候，要预先使74ls194移过一步(移位方向由决定)，为此在线路中安排了将的瞬变(包括上升沿与下降沿)产生一个专供74ls194使用的时钟脉冲。只是有一点要特别指出的，即要先准备好移位条件，然后再产生时钟脉冲，为此在时间上要有一点滞后，在线路中用rc延迟产生。

 

    最后，由于步进电动机每一相电流是三个功率放大器共同作用的结果，当一相绕组完全通电时，三个功率放大器各提供三分之一的相电流，据此可以选择适用的功率晶体管及限流电阻。由于新的线路设计方案的总功率与传统线路相当，所以电动机驱动部分的体积并不一定比传统线路更大。相反，由于单个功放电路的电流减小了(减至传统线路的三分之一)．所以功率管的选择、功率管与分配器之间的匹配等更易得到解决。限流电阻也不用选择大瓦数的线绕电阻，可选用较小功率的线绕电阻。

 

3细分量的扩展

 

    利用图4线路的设计原理，不难设计出其他小步距角的驱动线路。hf-2环形分配器的使用数目与每一拍所移动的角度关系如附表所示。