摘要：针对步进电动机在低速和高速转矩下降的问题，开发出种新型_二相混合式步进电动机驱动嚣。给出驱动器全部硬件电路和软件程序．结合新器件应用，对硬件电路参数、关键数据、软件设计进行详实分析，全面剖析了单片机、逻辑控制、恒流控制、高压驱动、电流采样、过压保护、供电电源fu路等，具有一定参考价值关键词：驱动器；恒流驱动；高压斩波：过流保护；电流采样；igbt；比较器

0引  言

步进电动机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构，有较高的定位精度，特有的开环运行机制，得到了广泛的应用。在焊接工作站、包装机械、地毯机械等需要步进电动机大功率应用场合，为了克服由于起动转矩小和高频运行转矩下降而产牛的失步现象，故采用恒流驱动与高压斩波相结合的方式没计了大功率驱动器，获得满意的效果。本文以三相混合式步进电动机驱动器为例剖析驱动器软硬件电路的设计思路与没计参数。

1三相混合式步进电动机驱动器的工作原理

本文研究的三相混合式步进电动机驱动器要求能接受上位机脉冲和正反转控制信号，能在低速到高速运行中保持恒电流，保持恒转矩输出驱动1 30系列步进电动机。本驱动器主要由6部分构成：单片机at89c205l控制电路、数宁逻辑电路、推挽驱动电路、驱动功放电路、过流保护电路、电源电路等如图1所示。

2驱动器硬件电路

2 .1高压驱动功放电路设计

功放电路主要由igbt管、场效应晶体管、推挽管、续流管等组成，图2为4相功放电路。

    驱动电路供电是220 v交流经整流滤波后变为300 v左右的高压直流，工作时cal、ga2导通提供电机线圈电流；电机回路中gal导通压降小，ga2导通电阻很小，rs1只有0.22 n，所以高压斩波时绕组电流上升很快。特别在高速运行时绕组电流上升很快，电机响应速度很快，输出功率和转矩也比较大、ga2选用高额vmos场效应晶体管irh60．cal选用fuji公司的imbit60一100 icbt高额管，饱合压降3.2 v。igbt将场控型器件的优点与gtr的大电流低导通电阻特性集于一体，是较好的高速高压半导体功率器件，igbt的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节，为此设置了过流保护、欠压保护和icbt软关断的功能。igbt、场效应晶体管都是电压控制型器什，采用由t3和t10三极管组成的推挽式驱动，使之获得较高的可靠性。

    tlo、t3乃和t12、t11组成推挽式驱动电压控制型器件，fal、fa2为快恢复续流二极管，丁作为导通、续流、抑制二个过程。n2、n13由高速光耦p521构成，其作用是将单片机产生的脉冲波与驱动电路隔离，防止波形受到干扰从而影响输出电压波形。

    u4为lm339比较器，ull为cd4025三输入或非门电路。

    电流采样电阻rs1接ga2管s极，阻值选用o 22 n，功率5 w。

    选择合适的栅极串联电阻r34和栅射电容c23对igbt的驱动相当重要。r34较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬问电流较大，从而损坏icbt；尺，。较大，有利于抑制dv。／dt，但会增加igbt的开关时间和开关损耗。合适的c24有利于抑制越／(1f，c：。太大，开通时间延时；c34太小，抑制虹／df效果不明显。选择r34=loω，c24=o．22μf取得较好效果。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，在栅射间并接15 v稳压二极管d8，其稳压值15 v与正负栅压相同。

2．2逻辑控制设计

由cd4025(三输入或门)、lm339组成逻辑控制电路，如图2所示。u11a三路输入分别为：ula①：脉冲输入端；ulla②：恒流控制；u11a⑧：报警信号。

2.3运行和待机电流整定

运行和待机电流整定如图3所示。89c2051的p1．7输出电机运行和待机信号，控制电机运行和待机l锁时的电流值。设计额定相电流为5 a，rs1采样电流平均值为5 a，采样峰值电流为6 8 a，采样峰值电压ud=1．5 v；电机停止待机时，设计相电流为2.5 a，采样电流峰值为3.4 a，此时rs采样峰值电压u02=0.75 v，通过r28反馈至比较器u4a④反没计时，可调节r1的值改变比较器门限电压，设定电流值的大小.例如短接r．，可使相电流增加到6 a。

    在u4d组成的下行迟滞比较器巾，r16正反馈不仅可以加快比较器的响应速度，避免由于电路寄生耦合而产牛的白激振荡，还可抗干扰能力强，当输入信号受干扰波动时，稳定输出电压。

    迟滞比较器的输出vo与输入v1不成线性关系，输出电压的转换临界条件是：门限电压vp(同相输入端的电压)=v(反相输入端的电压)=v1(参考基准电压)，根据v的不同值(voh或vol)分别求出上门限电压vt和下门限电压vt。

2.4恒流控制原理

恒流控制电路主要由电流取样、电压比较器构成，如罔2所示。单片机89c2051的p1.6输出的a相脉冲经u12同相器、n2、n13传输。当脉冲高电平时，n2、n1 3截止。t1导通，gal截止；u11a②端输人为高，u11 a输出为低，ga2截止，电机停止。

    当脉冲低电平时，n2、n13导通，gal、ga2导通，在高压作用下，绕组电流迅速建立起来，并达到设计额定值(5 a)时，如图3所示，r；。采样电压u。

    随之e升，反馈输入到此比较器u4a④端。当高于u4a⑤端设定值，u4a输出为低电平．t9导通，u4d输出为高电平，从而封锁或非门u11a，使ga2截止，形成负反馈，从而绕组电流逐渐下降，当下降到一定值时，导致u4a比较器再次翻转，输出又变为低电平，从而使得ca2又导通，高压又被接通，再次使绕组电流上升，这样，在一个脉冲周期-h功率管ca2多次通断，形成一个在额定电流值e下波动呈现锯齿状的绕组电流波形，近似恒流，提高r绕组电流的平均值，有效地抑制了电机转矩的降低。

2.6电源电路设计

本系统电源设计非常重要。如图5所示，需要五种电源：+5 v、+15 v(3路)、+300 v。+5 v，3路+15 v由’7805、7815集成电压电路提供，使用简便，保护功能好，安全可靠、输出稳定度高。+5 v为单片机控制电路提供精密基准电压源，+15 v为三相驱动电路提供独立电压源。驱动电源为220v交流电直接整流滤波得到．300 v左右直流高压。+5 v，+15 v(3路)、+．300 v的地均不相同，五者均不共地，信号通过光耦连接，光耦两侧不共地，否则达不到隔离}_j的。不共地抑制厂电源侧对信号输送的电磁下扰，能够得到更优秀的a、b、c2 5过流保护电路过流保护电路主要由比较器、可控硅等构成，输出两路高、低电平报警信号。如图4所示。电路具体工作过程：ga2恒流控制电路失控，****电流超过15 a时，采样电压3.3 v输入到比较器u5a“+”端，经过信号处理，输出2路报警电平，分别同时保护gal、ga2，并锁定报警，led指示报警。排故后重启电源才能解除。

2.7欠压保护电路

欠压保护电路如图6所示：当驱动电路电源+15 v由于驱动电路器件损坏．产生失压或者父压时，可能使功率管驱动不足或者处丁放大状态而损毁，n5导通，直接关闭t10、t3输出，软关断ca2。

4单片机控制软件设计

步进电动机驱动控制的软件主要巾主控程序、环相分配器处理程序、中断程序等部分组成，如图8所示。驱动主控制程序控制整个程序的流程，丰要完成驱动的初始化、中断方式的设置、训傲器工作方式的设计等。本文设计的三相六拍次序为：bc(011)-b(010) - ab(1lo)一a(100) -4c(101)一c(001)；40 ms中断一次，没有驱动信号，l.3 s后停机锁死，电机驱动断电。

3单片机控制电路设

计控制电路主要由at89c2051单片机电路组成，如图7所示。主要功能是：①单片机的pl l接受外部正／反、脉冲信号：运行脉冲数、运行速度由上佗机发出．输出3路控制信号，控制功率管的开通与关断，·个脉冲走一步；②p1．4，pl 5，p1 6分别输出三相六拍a、b、c环相脉冲；③p1 2控制方向pl 7输出停止信号；④p3．2定时中断；⑤晶振12 mhz一5实验上位机plc编写定速直线驱动，加／减速驱动，s曲线加／减速驱动三种程序，巾pt．c各个功能键控制系统的运行、停止、低速、停止等。plc晶体管输出连接nlo，驱动器输出端先接三纽各用2个100w灯泡串联组成的假负载，三相平衡测试正常后，接130系列步进电动机(相电阻0 78 n、相电感16 7 mh)．连接扭矩仪、转速测试仪，用i通道示波器测量步进电动机三路相电流。

6结语

通过全面设计，使整个驱动器的可靠性大大提高，不易发生大功率器件的损坏率明显下降；绕组巾的脉冲电流边沿陡，快速响应好，运行矩频特性、起动矩频特性和高频特性都有明显提高。近5年来，应用于焊接工作站、包装机械、地毯机械控制系统中，运行甲稳，取得了满意的效果。