摘 要：介紹了三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器的一種設(shè)計方法。將LM331接成電壓/頻率（V/F）轉(zhuǎn)換方式，使輸入控制電壓轉(zhuǎn)換成一定寬度的脈沖信號，利用PMM8713將輸入脈沖信號分配成一定相序的控制步進電機各相通斷的脈沖信號，通過功率驅(qū)動電路來驅(qū)動三相反應(yīng)式步進電機工作。

關(guān)鍵詞：步進電機；LM331芯片；PMM8713芯片；功率驅(qū)動？

1引言

隨著運動控制系統(tǒng)中數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與成熟，步進電機在工業(yè)自動化控制中得到廣泛的應(yīng)用。步進電機是一種完成數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。步進電機區(qū)別于其他控制用途電動機的最大特點是，步進電機接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號），并將這些脈沖信號轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移。步進電機另一重要的特點是其必須與相應(yīng)的驅(qū)動電路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取決于所使用的驅(qū)動電路的類型和實際參數(shù)。因此，步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計是步進電機控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。本文主要介紹三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器的一種實用電路，該驅(qū)動電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2脈沖分配器PMM8713

PMM8713是由日本Sanyo（三洋）電機公司生產(chǎn)的步進電機控制用的脈沖分配器（又稱邏輯轉(zhuǎn)換器），為雙列直插式16腳單片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。勵磁有1相、2相和1-2相三種方式，通過電路設(shè)計可任選其中一種激勵方式。此外，PMM8713還具有單時鐘或雙時鐘工作方式，帶有正反轉(zhuǎn)控制功能以及初始化復(fù)位功能。其內(nèi)部有（1）時鐘選通，（2）激勵方式控制，（3）可逆環(huán)形計數(shù)，（4）激勵方式判斷等電路。PMM8713所有輸入端均采用施密特整形電路，因此抗干擾能力強。輸出電流大于20mA，可直接驅(qū)動微型步進電機。引腳如圖2所示。各引腳功能說明：CＵ（ＰＩＮ１）、ＣＤ（ＰＩＮ２）是雙時鐘工作的時鐘輸入端。CＵ端接正轉(zhuǎn)時鐘；CＤ端接反轉(zhuǎn)時鐘。CK（PIN3）為單時鐘輸入端，此時步進電機的正反轉(zhuǎn)由U/D（PIN4）腳來控制。在電路處于單時鐘輸入控制的前提下，當(dāng)U/D=高電平時，則輸出端輸出正轉(zhuǎn)脈沖序列；當(dāng)U/D=低電平時，則輸出端輸出反轉(zhuǎn)脈沖序列。EＡ（ＰＩＮ５）和EＢ（ＰＩＮ６）為激勵方式選擇端。EＡＥＢ＝００時，為雙激勵方式；EＡＥＢ＝１１時，為1-2相激勵方式；EＡＥＢ＝０１或10（即兩電平相反）時，為單激勵方式。3/4（PIN7）為三相或四相選擇控制端。當(dāng)該腳=0時，為三相輸出；當(dāng)該腳=1時，為思想輸出，通過該腳可以選擇控制三相或四相步進電機。A～D（PIN13～10）為4個相驅(qū)動端。3相用A～C（D=0），4相用A～D端。EM（PIN14）是激勵方式狀態(tài)標(biāo)志。雙激勵方式該端輸出為高電平；單激勵方式該端輸出為低電平；1-2相激勵時該端輸出兩倍時鐘周期的脈沖。C？0（PIN15）為輸入時鐘檢測端。當(dāng)該電路有時鐘脈沖輸入時，在C０端可輸出同步于時鐘的脈沖。R（PIN9）為復(fù)位控制端，加低電平使輸出端A～D復(fù)位為表1所示的初始狀態(tài)。（其中0表示低電平，1表示高電平）。？

3電壓-頻率變換器LM331

LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片。LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器以及其他相關(guān)的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片，其引腳如圖3所示。

LM331內(nèi)部有（1）輸入比較電路、（2）定時比較電路、（3）R-S觸發(fā)電路、（4）復(fù)零晶體管、（5）輸出驅(qū)動管、（6）能隙基準(zhǔn)電路、（7）精密電流源電路、（8）電流開關(guān)、（9）輸出保護點路等部分。輸出管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應(yīng)TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。此外，LM331可采用單/雙電源供電，電壓范圍為4～40V，輸出也高達40V。IＲ（PIN1）為電流源輸出端，在f０（PIN3）輸出邏輯低電平時，電流源ＩＲ輸出對電容ＣＬ充電。引腳2（PIN2）為增益調(diào)整，改變ＲＳ的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。f０（PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由Ｒt和Ｃt決定。引腳4（PIN4）為電源地。引腳5（PIN5）為定時比較器正相輸入端。引腳6（PIN6）為輸入比較器反相輸入端。引腳7（PIN7）為輸入比較器正相輸入端。引腳8（PIN8）為電源正端。？

4驅(qū)動器系統(tǒng)電路

驅(qū)動器系統(tǒng)電路由電壓-頻率變換電路LM331、脈沖分配器PMM8713和四電路通用運算放大器LM348等構(gòu)成，如圖4所示。外接電阻Rt、電容Ct、內(nèi)部定時比較器、復(fù)零晶體管和R-S觸發(fā)器等構(gòu)成單穩(wěn)定時電路。當(dāng)輸入端Vi+輸入的電壓大于Ｖi-輸入端的電壓時，f０輸出邏輯低電平。同時，電流源ＩＲ對電容ＣＬ充電。電源ＶＣＣ也通過電阻Ｒt對電容Ｃt充電。當(dāng)電容Ｃt兩端的充電電壓大于ＶＣＣ的2/3時。輸出端f？0輸出為邏輯高電平。此時，電容Cr通過內(nèi)部電路放電；ＣＬ對電阻ＲＬ放電。當(dāng)ＣＬ放電電壓等于輸入電壓Ｖi時，輸入比較器再次輸出高電平，f０輸出邏輯低電平。如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振f０蕩。根據(jù)電容上電荷平衡原理和相關(guān)的電學(xué)知識，我們可以推導(dǎo)出：f０＝Ｖi/（t１ＩＲＲＬ）。t１為充電時間，由定時元件Ct和Rt決定；IＲ為內(nèi)部精密電流源輸出電流?？傻贸鲚敵鲱l率f0和輸入電壓Vi成正比。從而由運動控制系統(tǒng)輸出的可變電壓信號經(jīng)PMM8713變換后產(chǎn)生可變的頻率信號，控制步進電機的轉(zhuǎn)速。

方向控制電路由LM348四電路通用運算放大器構(gòu)成。外部方向控制信號通過LM348和基準(zhǔn)電壓構(gòu)成電壓比較電路。當(dāng)Vdi大于基準(zhǔn)電壓ＶＨ時，U3A輸出為正，接至PMM8713的第四腳，控制輸出端輸出正相脈沖序列。當(dāng)Ｖdi小于基準(zhǔn)電壓ＶＨ時，輸出端為負，接至PMM8713的第四腳，控制輸出端輸出負相脈沖序列，相應(yīng)相驅(qū)動輸出端輸出正反相脈沖序列，從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)。

由LM331給出的輸入指令是輸入時鐘f０和方向指令DIR，這兩個指令在PMM8713中經(jīng)邏輯組合轉(zhuǎn)換各相通斷的時序邏輯信號。PMM8713的相驅(qū)動輸出端（PIN10～PIN13）的驅(qū)動電流達20mA以上，能直接驅(qū)動微型步進電機。Ｒ１、Ｃ１為開機時自動初始化電路。初上電的數(shù)十毫秒內(nèi)R端為低電平，從而A～D端自動復(fù)位至初始狀態(tài)（參見表1）。如果外接的步進電機功率較大，PMM8713輸出驅(qū)動端驅(qū)動能力不夠。此時應(yīng)設(shè)計功率放大驅(qū)動電路，然后再驅(qū)動步進電機。PMM8713各相輸出端的導(dǎo)通順序邏輯信號送至功率驅(qū)動段轉(zhuǎn)換成內(nèi)部功率開關(guān)的基極（或柵極）驅(qū)動信號。步進電機驅(qū)動方式，按相繞組流過的電流是單向或雙向，可分為單極性和雙極性驅(qū)動。通常，三相步進電機采用單極性驅(qū)動。從功率驅(qū)動級電路來分析，又有電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動之分。本設(shè)計中采用串聯(lián)電阻電壓驅(qū)動方式。在相繞組中串接一定阻值和功率的電阻，一方面減小了繞組回路的時間常數(shù)，同時又對低頻和靜止工作時的電流進行限制。

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5結(jié)束語

根據(jù)上述電路設(shè)計的步進電機驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能穩(wěn)定。采用此系統(tǒng)設(shè)計的三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器驅(qū)動55BF004型三相反應(yīng)式步進電機，已成功地應(yīng)用在小距離驅(qū)動和位置跟蹤等設(shè)置中，運行效果良好。