1.引言
步进电机是一种控制用的特种电机,它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的,其特点是没有积累误差,已广泛应用于激光制造、医疗仪器、包装印刷、数控改造、工业自动化等各种开环控制领域[1-2].步进电机驱动器是专门用于驱动步进电机的电子设备,它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角.控制步进脉冲信号的频率和脉冲个数,就可以对电机进行精确调速和定位。
步进电机由于使用不当、环境潮湿、渗水及灰尘等因素.会引起步进电机及驱动器短路甚至烧毁.由此,非常必要为步进电机及驱动器设计一个完善的保护电路.对于高压步进电机及驱动器，在各种异常条件下的保护还存在一些特殊的问题需要特别考虑[3].
2.高压大电流步进电机驱动的异常工作情况分析
2.1高压大电流两相混合式步进电机驱动电路
高压大电流两相混合式步进电机的驱动通常采用图1所示的H桥电路。高压电源VH经过IGBT管Q1~Q8的驱动电机绕组LA和LB,RH为上端电流取样电阻,R1和R2为下端电流取样电阻。
2.2驱动电路异常工作情况分析
在驱动器的使用过程中, 错相和过流是步进电机驱动器最常见的两种异常工作情况。
错相是由于错接绕组造成电机同相绕组正负极短路,相间相互短路,绕组对地短路或绕组对高压短路等。
由于电机进水等原因也会引起电机相绕组对地或对高压短路 (同相绕组A+与A-或相间绕组A+与B+,A+与B-短路等).此时,流过驱动器的电流会在瞬间变得非常大,H桥温度迅速上升,从而造成电机无法正常运转甚至会烧坏电机及驱动器以致引起更为严重火灾等后果.
3.各种异常保护电路的设计
在本设计中针对L297D和IR2110为核心的高压大电流步进电机驱动器进行研究。在电机连接错误或驱动器出现异常工作时.只要及时有效的使L297D和IR2110的输出信号立即停止即可有效的保护驱动器和电机.在实际设计中,在H桥的上端和下端分别使用RH,R1和R2作为电流检测电阻.
3.1上端保护检测电路及参数的设计
在图1所示的H桥电路中,如果出现绕组对地短路,则RH的下端PT电压会突然减小.这个突然变的电压信号可以通过图2所示的上端保护检测电路实现监控和检测.
上端保护检测电路中的PNP三极管T1采用400V高压三极管MPSA94,当PT端的电压比VH低5V时T1导通.此时,高压VH经过R5和R6分压器可以得到所需要的检测信号.
根据实际应用，R5和R6的阻值和额定功率按照以下条件进行计算：
驱动器工作电压设计为AC85V~AC275V,整流后的直流电压对应为DC120V~DC390V.考虑到所使用电源范围很宽,采用功率为0.5W的5V稳压二极管与R6并联,这样可以保证检测所产生的控制信号与TTL电路相兼容.设计时,取R5与R6分压点的电压为10V.
电阻值比的计算公式：
取电阻R5和R6的功率为0.5W.则可以计算出R5与R6的阻值大小：R5的阻值以公式(2)的条件进行计算得, ,取标称值300kΩ；R6的阻值大小以公式(1).求解得到R6=27.3kΩ,取标称值27kΩ.C1可以减小电机运转时绕组对PT端电压的干扰,R4可以保证驱动器刚上电时处于保护状态.
3.2下端保护检测电路及参数的设计
下端保护检测电路原理如3所示,在图1所示的H桥下端电流取样电阻R1和R2上的电压信号送由LM339构成的电压比较器的BSEN1和BSEN2端.由R9和R10构成的分压器,为电压比较器U1A的反相输入端提供电流检测参考电压.
当电机出现绕组两端短路或绕组间短路时,会造成流过H桥下端电流检测电阻R1和R2的电流突然增大,从而使R1和R2上的电压值升高.当检测点的电压值超过所设定的参考电压时,电压比较器翻转输出有效的下端保护检测信号.
系统设计为额定相电流为I=7A, H桥下端检测电阻R1和R2取0.05Ω/5W的金属丝电阻.则电机在额定功率下工作时,R1和R2上的电压为 V.
考虑到电机绕组自感等因素,把电压比较器反相端的参考电压值设定为0.5V,此时,对应的电机单相绕组峰值电流为 .电压比较器采用+5V单电源供电,取R8=10k,则算得R9=1.1k,取标称R9=1.2k.
3.3保护延时电路及参数的设计
图2和图3所示电路检测输出的保护信号TEST、SEN1和SEN2通过图4所示的或门.送IR2110的SD端,使IR2110瞬间封锁输出驱动信号.但IR2110停止工作后RH、R1和R2上的压降立即恢复正常状态.如果故障未排除,IR2110将会反复快速开关.此时,驱动器的平均电流仍然非常大,也会烧坏驱动器.
在此，采用双可再触发单稳多谐振荡器74HC123构成保护延时电路[4-5] ，如图5所示。当所选Cext>1000pF时保护电路的延时时间tW按公式 计算(各参量单位分别为: RT—kΩ,Cext—pF,tw—ns)。
取保护电路的延时为tW=10S,Cext=100uF,则可计算得RT=356.4kΩ,取标称值RT=360kΩ.
74HC123产生的延时信号经过由NPN三极管构成的非门后送L297D的ENABLE(电路中的EN)端,当L297D的ENABLE接收到低电平时立即停止电机控制信号的输出,直到延时tW秒后，74HC123的输出状态发生翻转，EN端输出高电平，L297D再次恢复电机控制信号输出。由此,驱动器反复输出并检测故障情况,直到故障排除。
该保护电路系统可以当作一个硬件看门狗，运用于MCU控制的步进电机驱动器中实现各类异常工作状况的监测。
 
4.实验测试结果
4.1开机保护测试
系统上电直到正常工作的状态如图6所示，系统刚上电瞬间，上端检测电路图2中的T1导通。TEST端产生瞬间高电平，触发图5中的延时电路。系统延时约15s后使系统的L297和IR2110输出电机控制信号，如果系统无故障将正常工作。按理论设计，延时t=10s。但由于采用的电阻和电容误差的原因，实际输出延时为****15s，最小10s。
4.2错相及相短路保护测试
系统正常工作期间，图1中下端检测电阻的检测端(BSEN1及BSEN2)检测到如图7所示的峰值不超过0.4V的锯齿状相电流波形。当电机绕组LA(或LB)出现错相、相短路或相与高压短路时。下端检测电阻的检测端(BSEN1和/或BSEN2)检测到超过0.5V的大电流尖峰，该尖峰触发图3中的电压比较器，使SEN1和/或SEN2输出瞬间高电平，并触发图5延时电路进入约15s的系统延时保护。约15s后，图5延时电路的输出状态改变，使L297和IR2110送出相信号；如果故障未排除，系统再次进入保护状态，如果系统故障已排除，则系统正常工作。
4.3相与地线短路保护测试
在电机相绕组的任意一端A+(B+)或A-(B-)与电源地线短路时，图1所示的H桥下端无电流通过，系统无法控制电机。此时，高压大电流通过电机绕组LA和/或LB直接通地线，对地短路的绕组端的电压突然降低为0V，如图8粗线所示。此时，H桥上端检测电阻的压降突然增大，使图2中的三极管T1导通，从而产生开机测试时的保护过程。如果系统的故障未排除，则检测电路继续循环检测并产生延时保护。
5.结 论
经过多次调试和研究改进后的电路系统具有反应灵敏,响应快，可靠性高等特点。系统能够满足多种驱动器和电机异常工作情况的有效保护功能。带有该保护功能的高压大电流驱动器及步进电机系统已经成功应用到了印染厂等恶劣工作环境中，已累计安全运行了近3000小时。
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