低成本两相步进正弦细分驱动器的设计.pdfVIP

学兔兔 务l 訇 化 为控制核心，根据外部输入的步进脉冲信号，按 设定的细分数产生正、余弦波数字信号和周期环 形步进脉冲时序。DAC0832有两路输 出：一路 产生正弦波步进基准电压；另一路产生余弦波步 进基准电压，基准电压与步进电机相电流进行比 较控制斩波器高频脉冲的通断，驱动 IR2104和 IRF540组成的全桥驱动器，使步进电机相两端产 生脉冲式的相电压，从而使步进电机的相电流按 设定的正弦、余弦方式变化，这样步进电机原来 的周期环形脉冲 “一大步”被划分成了 “N个小 步”，使的电机运行更加平稳，控制精度更高。 1．1控制器 控制器选用ATMEL公司的改进型 AVR系列 低端 8位 ATMEGA8单片机，该单片机具有丰富 的 IO管脚数，内带 8K的FLASH，1K的SRAM， 先进的 RISC结构使得 16MHz时钟下的性能可以 达到 16MMIPS，打破了传统 51单片机无法对响 应速度的高要求，使得在满足系统转速要求的同 时，仍能使步进细分数精度高达 32细分。 控制器外围电路主要由Pr7M7810LT构成的 复位电路、16MHz晶体构成的时钟电路、外部 光耦隔离输入电路等。ATMEGA8内带上电复位 电路和看门狗电路，但为了满足工业应用现场环 境，仍在外部增加了复位电路，看门狗电路使用 ATMEGA8内部自带的。为了尽可能的提升单片 机的运行速度，满足波形发生的点数和速度要求， 晶体使用最高频率 16MHz。外部输入的脉冲信号、 正反转信号、脱机信号经过 TLP512—4光耦隔离， 74HC14整形后送入单片机 IO端口。 控制器主要完成外部输入设置状态的检测和 根据外部输入脉冲的频率产生同步步进脉冲和正 弦余弦波数字信号，步进脉冲或上斩波信号作为 全桥驱动器的开关信号，正弦余弦波数字信号送 入DACO832产生正弦波，TL084负责将DAC0832 的电流信号变换成电压信号和极性变换。控制器 主电路设计图如图 2所示，因篇幅限制，图2只 显示了一路波形发生电路。 正、余弦波数字信号是预先根据公式计算生 成，如32细分的公式为： 1，：“×inf 1，N：128，：f0，⋯，127s n } l—— ．= ．={UN 、 其中 U取 DAC0832满量程数字 255，计算出 来的数值有负值，而实际的驱动器相电流都是为 正值，所以通过公式计算出来的负数要取绝对值。 使用 Protues仿真的正弦和余弦波形如图 3所示。 为了保证力矩和转动平稳，周期环形步进脉 冲时序选取双相激励方式，每次有两相绕组通电。 1．2相电流采样 设计要求驱动器的相电流最大值为5A，根据 图2 步进控制器设计图 第34卷 第6期 2012-6(上) [1aSi 学兔兔 学兔兔 骞、l 匐 化 反向耐压 (100V)和低导通电阻 (0．077~)。应用 在最大5A的工作电流和 100V反向耐压电路中可 以有较高冗余度，保证了驱动部分的工作可靠性。 专用半桥驱动集成电路选用 IR2104，IR2104 是 IR公司专门为功率型 MOSFET和IGBT设计的 高压高速驱动器，可直接被 TTL电平驱动，悬浮 的自举通道设计可容忍+600V的电压，可以用于 驱动高边N型功率MOSFET，组成的电路图如图 4所示。 为了保证H桥电路工作稳定和提高其转换速 度，IR2104周边的自举二极管应选用高速开关管 或者 肖特基快恢复二极管，自举电容选用漏电流 小的钽电解电容，限流电阻选择 51欧姆即可。为 了进一步减少电机运行过程中的反向电动势对 MOSFET管造成的损伤，还需要在相线上增加一 对肖特基快恢复二极管，上拉到电源和下拉到地， 提供续流的同时消除反向电动势。 即便是选择的MOSFET管，导通电阻很低， 但为了保证驱动器能不间断工作仍能表现出优异 的性能，防止高热导致MOSFET管的损坏，所以 要在 MOSFET管上加装散热器，散热器的形状和 大小可根据驱动器外形设计和 MOSFET管的温升 决定，样机还通过了严格的高温高湿试验，验证 了电路散热效果和工作的稳定。 2 结束语 本驱动器包含数字信号、模拟信号、微弱的 电流采样信号、步进电机运行的高压大电流，而 且控制电路和电机驱动电路共用同一组电源，所 以在 PCB布局和布线上需要特别注意，布局上除 了按功能布置外，还要注意模拟部分和数字部分 分开；微弱信号远离高压大电流信号，布线上要 微弱信号部门要用地做隔离保护；控制部分和驱 动部分的地要最后一点共地，从而避免电机运行 时的大电流，干扰控制电路的工作。另外在设计 更大规格的驱动器时，这样的处理方式仍不能满 足系统正常工作要求，还需要做隔离处理，控制 部分的电源可以通过隔离型 DC／DC进行隔离，数 字控制信号可以通过高速