专利名称：一种新型多细分高电压两相步进电机驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型多细分高电压两相步进电机驱动器。
背景技术：
目前，市场上的两相步进电机的驱动器按电压分主要有三种。第一种是40～50VDC，第二种是80VDC，第三种是100VAC～120VAC。第一种和第二种驱动电路由于电压低，较难驱动大扭矩的步进电机，使用范围有很大的限制。第三种驱动电路由于其电压高，易于驱动大扭矩的步进电机，因而受到了很大的欢迎。但是，由于电压高，电机电流变化速率大，电机电流控制则成了最大的难点。因此，市场上现有的100VAC～120VAC两相步进电机的驱动电路或是采用专用IC半步驱动的方式，或是采用单片机控制细分驱动方式；这两种方式在恒流斩波方式上如采用传统的快速充电-续流方式，则电机电流控制不理想；如采用快速充电-快速放电方式，则电机噪声大，发热大。同时，采用半步驱动方式的还有控制精度不高的缺点；采用单片机控制，细分驱动方式还有高速响应速度慢，高速扭矩小，高速性能不好的缺点。
发明目的本实用新型的目的是提供一种噪声小、发热少、步进电机定位精确的新型多细分高电压两相步进电机驱动器。
本实用新型实现上述目的的方案是它包括依次相连的给控制线路供电的高频开关电源电路1，产生EPROM地址的脉冲计数电路2，存储基准波与相位数据的EPROM电路3，D/A转换器电路4，产生双H桥驱动信号的双H桥驱动电路6，驱动步进电机的双H桥电路7，过压过流保护电路8，还包括有快速充电-快速放电-续流方式的恒流斩波电路，其中，D/A转换器电路4的输出和双H桥电路7的电流取样输出与恒流斩波电路的输入相连，恒流斩波电路的输出和双H桥驱动电路6的输入相连。
所述快速充电-快速放电-续流方式的恒流斩波电路由产生脉宽调制波的比较电路5，设定最小快速放电时间的延时电路9，和脉冲分配电路10组成，比较电路5的输出和延时电路9的输入相连，延时电路9的输出和脉冲分配电路10的输入相连。
设定最小快速放电时间的延时电路9采用RC充电方式实现延时时间调节。
脉冲分配电路10采用D触发器电路、与电路和或非电路实现双H桥脉冲分配。
D触发器电路由U10构成，其中，U10的第11脚与方波信号相连，U10的第3脚与方波信号的反向信号相连。
D/A转换器电路4和驱动步进电机的双H桥电路7采用运算放大器实现基准波与采样电流的放大。
设定最小快速放电时间的延时电路9由R54、R55、R56、R57、C33、C34组成，其中，R54、R56、C34依次相连，R55、R57、C33依次相连，R56、C34的连接端与斯密特整形反向器U11的输入端相连，R57、C33的连接端与斯密特整形反向器U11的输入端相连。
采用以上方案的有益效果由于采用比较电路，延时电路，和脉冲分配电路组成的恒流斩波电路，实现了独特的快速充电-快速放电-续流的恒流斩波方式，达到了理想的电机电流控制，解决了高电压步进电机的电流控制难点，减小了步进电机噪声与发热；采用带运放电路的细分电流控制技术，解决了电机精确定位问题，极大的改善了步进电机的高速运行问题和平稳性问题；采用EPROM加数字逻辑电路的设计结构，提高了高速响应速度，加大了步进电机的高速扭矩，因而步进电机的高速性能更好，可达3000转/分钟，而普通设计仅为2000转/分钟。
下面通过具体的实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
图1是本实用新型的结构框图。
图2，图3，图4是本实用新型的实施例具体示意图。
见图1，所示新型多细分高电压两相步进电机驱动器，包括依次相连的高频开关电源电路1，脉冲计数电路2，EPROM电路3，D/A转换器电路4，双H桥驱动电路6，双H桥电路7，过压过流保护电路8，还包括有快速充电-快速放电-续流方式的恒流斩波电路。所述快速充电-快速放电-续流方式的恒流斩波电路由比较电路5，延时电路9，脉冲分配电路10组成。所述脉冲计数电路2的输出端接EPROM电路3，EPROM电路3的基准波数据输出端接D/A转换器电路4，D/A转换器电路4的输出端和EPROM电路3的相位输出端以及双H桥电路7的电流取样输出端接比较电路5，比较电路5的输出端接延时电路9，延时电路9的输出端接脉冲分配电路10，脉冲分配电路10的输出端接双H桥驱动电路6，双H桥驱动电路6的输出直接驱动双H桥电路7，过压过流保护电路8的输出端控制双H桥驱动电路6，使能输入控制恒流斩波电路5，高频开关电源电路1为各电路环节提供电源其中外部输入的脉冲/方向控制信号经过脉冲计数电路2后，产生隔离的脉冲/方向信号，经计数后产生的计数结果用于确定EPROM的地址，再由EPROM输出基准波数据和相位信号；电机电流设定开关通过设定不同的逻辑组合，用于确定EPROM的地址，改变EPROM输出基准波数据和相位信号，进而设定电机电流有效值范围为2～6Amp；细分设定开关通过设定不同的逻辑组合，用于确定EPROM的地址，改变EPROM输出基准波数据和相位信号，进而设定电机运行步距；外部输入的使能信号可以关断恒流斩波电路5，使电机处于自由状态，方便位置调节；外部输入的电源30～120VAC通过整流滤波后一部分接双H桥电路，为步进电机提供电源，一部分通过高频开关电源电路1产生+5V/+12V控制电压，为各环节提供工作电压；双H桥电路直接接两相步进电机的两个绕组，对绕组进行驱动，构成本驱动电路的输出信号。
整个电路的工作原理概述如下外部输入的脉冲/方向控制信号经过脉冲计数电路2后，产生隔离的脉冲/方向信号，该脉冲/方向信号经计数后产生的计数结果与细分设定开关所设定的逻辑组合值确定EPROM的地址，由EPROM输出基准波数据和相位信号；电机电流设定开关所设定的电压值作为D/A转换的参考值；基准波数据经D/A转换器电路4后，得到正/余弦基准波；该基准波与EPROM输出的相位信号以及双H桥电路7输出的电流取样信号经恒流斩波电路5后，得到8路双H桥驱动信号；该8路驱动信号通过双H桥驱动电路6驱动双H桥电路7，再由双H桥电路对两相步进电机的两个绕组进行驱动，达到对两相步进电机进行速度/方向控制的目的。
一个具体的实施例如图2，图3，图4所示，图中名称相同的连接端相连，工作原理简述如下图4中外部输入电源36～120VAC的L，N依次通过热敏电阻NTC1，保险丝FUSE1后，经电容X1，Y1，Y2滤波，经整流桥BRG1整流，得到直流电压，再经电解电容C1，C2滤波后，得到电压VIN，接双H桥电路MOS1～MOS4的D极，为步进电机提供供电电源。同时，VIN通过高频开关电源电路产生+12V，+12V通过三端稳压器U1(78L05)产生+5V。其中，U2为PWM控制IC(UC3843)；R6，R7为分压电阻，为U2提供反馈电压；R9为电流取样电阻，为U2提供反馈电流；D11用于吸收高频尖峰；D9为付方整流二极管；当电源工作正常后，+5V通过R88点亮LED1。
图2中外部输入的脉冲PUL/方向DIR控制信号经过脉冲计数电路2中的光电耦合器OPTO1(QTC2530)后，产生隔离的脉冲PULSE/方向DIRECTION信号，脉冲信号经U21(74LS14)两次反向后，与方向信号一起用于脉冲计数电路2中的脉冲计数。其中，R84，R83为上拉电阻，C57～C59用于高频滤波。
外部输入的使能信号EN为高电位时，光电耦合器OPTO2(P521)ENABLE信号为高，对恒流斩波电路中的U10(74LS74)不起作用，同时，S.D.信号为高，对U14～U16不起作用；当为低电位信号时，ENABLE信号为低，8路驱动信号ARL，ARH，ALL，ALH，BRL，BRH，BLL，BLH将变成低电位，电机处于自由状态，方便位置调节，同时，S.D.信号为低，U14～U16停止脉冲计数。
图4中的A+，A-，B+，B-为本驱动电路输出信号，直接接两相步进电机的两个绕组，达到对两相步进电机进行速度/方向控制的目的。
图2中的8位拨码开关SW1用于电机电流和细分的外部设定。通过拨上拨下SW1的第6～8位，得到不同的三位0/1逻辑组合，分别形成U17(AT27C256R)，U18的第13，10，11位地址信号。通过拨上拨下SW1的第1～5位，得到不同的电压分值VREFA，VREFB，分别送入电流型D/A转换器U19(DAC08)，U20的第2脚，作为U19，U20 D/A转换的参考电压值。
经过光电耦合器OPTO1产生的脉冲PULSE/方向DIRECTION信号，同时分别送入四位同步计数器U14～U16的第14脚和第5脚，分别作为计数时钟和加减控制位，计数产生的结果A0～A9作为EPROM电路3中U17，U18的第0至第9位地址信号。U14～U16构成了一个12位二进制计数器。
U17，U18的地址信号确定后，分别输出相位信号PHASE B，PHASE A和基准波数据信号SIN1～SIN7，COS1～COS7。相位信号PHASE A和PHASE B用于恒流斩波电路5做恒流斩波控制；基准波数据信号SIN1～SIN7，COS1～COS7用于D/A转换器电路4做正/余弦基准波。
基准波数据信号SIN1～SIN7，COS1～COS7送入图2 D/A转换器电路4中的D/A转换器U19，U20，输出IOUT1D/A，IOUT2D/A。
图2中的U21(NE555)，R65，R66，C51～C53构成23KHz方波发生器，该23KHz方波发生器用在恒流斩波电路5中作为斩波时钟频率。
图2中的R63，R64，C54，C55，D30～D32构成-12V发生电路。当23KHz方波处于高电位时，该方波通过R63/R64，D30对C54充电，当23KHz方波由高电位变为低电位时，电容C54通过R63/R64，D31对C55充电，于是在C55上形成-12V直流电压。-12V直流电压用于给D/A转换器U19，U20供电。
D/A转换器U19，U20输出的IOUT1D/A，IOUT2D/A送入运算放大器U9(LF347)，经信号放大后，输出正/余弦基准电压REF1，REF2到恒流斩波电路5中的比较器U8(LM339)中。其中，R44/C28，R45/C29用于调节放大倍数。双H桥电路7输出的电机电流取样信号ISA，ISB通过R42/C26，R43/C27做简单的RC滤波后，也送入U9中做信号放大，输出到U8中。其中，R464/R47，R48/R49用于调节放大倍数。基准电压REF1，REF2与放大后的电流取样信号相比较后，由U8的第1脚，第2脚输出两路斩波PWM。该两路PWM经U11整形反向后，与PHASE A/PHASE B相或非，得到2路驱动信号ARH，BRH；该两路PWM经U11再次反向后，与PHASE A/PHASE B相与，得到2路驱动信号ALH，BLH；同时输入到U10，经过逻辑作用后，第5脚和第9脚的输出与PHASE A/PHASE B相与，得到2路驱动信号ARL，BRL；第6脚和第8脚的输出与PHASE A/PHASE B相或非，得到2路驱动信号ALL，BLL。R54～R57，C33，C34用于产生快速放电延时间隔。
以REF1这一相为例来解析此处的逻辑关系(REF2相也可同理推之)当基准电压REF1大于放大后的电流取样信号时，U8的第1脚输出高电位，若此时PHASE A为高电位，则U11第2脚为低电位，ARH为低电位，ALL为低电位，U11第4脚为高电位，U10第5脚为高电位，ALH为高电位，ARL为高电位，因此MOS3，MOS5同时开通，VIN依次通过MOS3，电机绕组，MOS5对电机绕组快速充电，电机绕组电流快速上升，即为快速充电阶段；当充电到放大后的电流取样信号大于基准电压REF1时，U8的第1脚输出变为低电位，此时，ARH，ALL保持低电位，U10第5脚为低电位，ALH为低电位，ARL为低电位，因此MOS3，MOS5同时关断，电机绕组上的电流依次通过D1，VIN，C1/C2，D6快速放电回馈到电源，电机绕组电流快速下降，即为快速放电阶段；当放电到放大后的电流取样信号小于基准电压REF1时，U8的第1脚输出变为高电位，由于R54，R56对C34充电存在延时T，ALH，ARL将在T时间段内保持低电位，直到C34上的电压充到U11的阀值电压后，U11的第4脚才输出高电位，于是，ALH为高电位，而U10第5脚保持低电位直到U10第3脚收到下一个脉冲上沿，于是在由U11的第4脚输出高电位开始到U10第3脚收到下一个脉冲上沿结束，ALH为高电位，而ARL为低电位；因此，MOS3开通，MOS5关断，电机绕组上的电流依次通过D2，VIN，MOS3回到绕组，进行慢速续流，电机绕组电流缓慢下降，即为续流阶段。其中，R54～R57，C33，C34用于调整最小快速放电时间。上述过程循环进行，形成独特的快速充电-快速放电-续流的斩波方式。
传统的快速充电-续流方式，由于放电速率慢，电机电流波形跟随不理想，因而控制效果不好，虽然噪声小，但只能适用于低转速；快速充电-快速放电方式，其电流纹波非常大，因而电机噪声大，发热非常严重，直接威胁步进电机的使用寿命。采用上述的快速充电-快速放电-续流的斩波方式，综合了前两种方式的优点，而避免了它们的缺点，电机电流波形跟随理想，电流纹波又小，因而电机噪声小，发热少，控制效果好。
图4中的U3(IR2110)，U4，U5，U6电路构成了双H桥驱动电路6。其中C7～C10用于高端驱动电压提升；R20～R23，D13，D15，D17，D19用于为高端驱动提供提升电压；R16～R19，R28～R31用于驱动MOS1～MOS8；R12～R15，R24～R27，D20～D23，D12，D14，D16，D18用于关断MOS1～MOS8对MOSFET的G极放电，达到快速关断的目的。
MOS1～MOS8电路，D1～D8电路构成了双H桥电路7。其中R86，R87为电流取样电阻；D1～D8为续流二极管，R89，R90用于关机时泄放C1，C2上的残留电荷。
将电机电流取样信号OCA，OCB送入图3中U7(LM339)的第6脚，第8脚，与VS作比较，输入电压取样信号OV送入U7的第4脚，与VS作比较，其中VS为标准比较电压。正常情况下，U7的第1脚，第2脚，第14脚4输出高电位，因而OVER信号为高电位，U8的第14脚输出高电位，LED2不点亮，PROTECTION信号为低，U3～U6正常工作；当过流或过压任何一种情况发生时，U7的第1脚，第2脚，第14脚中有输出低电位，使OVER信号翻转为高电位，因而U8的第14脚输出低电位，LED2点亮报警，同时将U8的第9脚电位拉低至-12V+VF(LED2)，使OVER信号电压一直高于U8的第9脚电位，同时开通MOS10，于是PROTECTION信号为高，关断U3～U6，MOS1～MOS8全部关断，整个电路处于不响应状态，直到故障现象清除，电路重新上电。
权利要求1.一种新型多细分高电压两相步进电机驱动器，包括依次相连的给控制线路供电的高频开关电源电路(1)，产生EPROM地址的脉冲计数电路(2)，存储基准波数据与相位数据的EPROM电路(3)，D/A转换器电路(4)，产生双H桥驱动信号的双H桥驱动电路(6)，驱动步进电机的双H桥电路(7)，过压过流保护电路(8)，其特征是还包括有快速充电-快速放电-续流方式的恒流斩波电路，其中，D/A转换器电路(4)的输出和双H桥电路(7)的电流取样输出与恒流斩波电路的输入相连，恒流斩波电路的输出和双H桥驱动电路(6)的输入相连。
2.如权利要求1所述的新型多细分高电压两相步进电机驱动器，其特征在于所述快速充电-快速放电-续流方式的恒流斩波电路由产生脉宽调制波的比较电路(5)，设定最小快速放电时间的延时电路(9)，和脉冲分配电路(10)组成，比较电路(5)的输出和延时电路(9)的输入相连，延时电路(9)的输出和脉冲分配电路(10)的输入相连。
3.如权利要求2所述的新型多细分高电压两相步进电机驱动器，其特征在于设定最小快速放电时间的延时电路(9)采用RC充电方式实现延时时间调节。
4.如权利要求2所述的新型多细分高电压两相步进电机驱动器，其特征在于脉冲分配电路(10)采用D触发器电路、与电路和或非电路实现双H桥脉冲分配。
5.如权利要求4所述的新型多细分高电压两相步进电机驱动器，其特征在于所述的D触发器电路由U10构成，其中，U10的第11脚与方波信号相连，U10的第3脚与方波信号的反向信号相连。
6.如权利要求1所述的新型多细分高电压两相步进电机驱动器，其特征在于D/A转换器电路(4)和驱动步进电机的双H桥电路(7)采用运算放大器实现基准波与采样电流的放大。
7.如权利要求3所述的新型多细分高电压两相步进电机驱动器，其特征在于设定最小快速放电时间的延时电路(9)由R54、R55、R56、R57、C33、C34组成，其中，R54、R56、C34依次相连，R55、R57、C33依次相连，R56、C34的连接端与斯密特整形反向器U11的输入端相连，R57、C33的连接端与斯密特整形反向器U11的输入端相连。
专利摘要本实用新型公开一种新型多细分高电压两相步进电机驱动电路，包括依次相连的高频开关电源电路，脉冲计数电路，EPROM电路，D/A转换器电路，恒流斩波电路，双H桥驱动电路，双H桥电路，过压过流保护电路，还包括有快速充电－快速放电－续流方式的恒流斩波电路。所述快速充电－快速放电－续流方式的恒流斩波电路由比较电路，延时电路，脉冲分配电路组成。本实用新型采用独特的快速充电－快速放电－续流的斩波方式，降低了电流纹波，达到理想的电机电流控制结果，细分数高达128细分，电机运行更平稳，噪音更小。
文档编号H02P8/14GK2559167SQ0227214
公开日2003年7月2日 申请日期2002年7月25日 优先权日2002年7月25日
发明者李卫平, 古进 申请人:深圳市雷赛机电技术开发有限公司