朱曉琨

摘 要:步進電機系統(tǒng)在當(dāng)今機電一體化產(chǎn)品設(shè)計中越來越重要,從數(shù)控機床、包裝機械到電腦外圍裝置等工業(yè)產(chǎn)品中都離不開步進電機的身影。以Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊為核心,實現(xiàn)一種控制簡單、成本低廉的兩相單極性步進電機驅(qū)動器,并通過試驗和實際使用表明該設(shè)計通用性強、控制簡單、可靠性高,可廣泛應(yīng)用于小型機電一體化設(shè)備。

關(guān)鍵詞:步進電機;驅(qū)動控制;多芯片模塊;工作模式

中圖分類號:TP23 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-154-02

Design of Stepper Motor Driver Based on SMA7029M

ZHU Xiaokun

(No.795 Factory,Xianyang,712099,China)

Abstract:It is more and more important of the stepper motor system in the modern mechatronics products,such as CNC,packaging machinery,computer peripherals and so on.A design of the stepper motor driver with the simply controlling and inexpensive cost is proposed based on the multi-chip modules SMA7029M.The practice application shows its universalness,simplicity and reliableness,and the design in this paper can be widely used in the small-scale electromechanical integration equipments.

Keywords:stepper motor;driving control;multi-chip modules;work mode

步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行設(shè)備,是現(xiàn)代機電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件之一。它通常被用作定位控制和定速控制,以其慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等機電一體化產(chǎn)品。相應(yīng)的步進電機驅(qū)動器也得到了快速的發(fā)展和改進。但是目前在工業(yè)應(yīng)用中,多數(shù)驅(qū)動器體積較大,通用性不強,往往要求外接多路電源,而且成本較高。文中介紹了采用Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊設(shè)計步進電機的驅(qū)動電路,為步進電機提供穩(wěn)定的輸出電流,并通過試驗和實際使用驗證了其通用性強、控制簡單、可靠性高的特性。

1 步進電機特點及驅(qū)動

步進電機受脈沖電流控制,每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。轉(zhuǎn)子的角位移正比于輸入脈沖的數(shù)量,轉(zhuǎn)子的角速度正比于輸入脈沖的頻率,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子繞組的通電順序。在使用過程中步進電機有一定的步距誤差,但沒有累計誤差。若維持控制繞組的電流不變,則步進電機就可停在某一位置不動。其按力矩產(chǎn)生的原理可分為反應(yīng)式步進電機和激磁式步進電機。按輸出力矩大小可分為伺服式步進電機和功率式步進電機。

由于步進電機是屬于感性器件,感抗與其輸入頻率是成正比。假設(shè)步進電機的轉(zhuǎn)速增加,其感抗也會增大。該狀態(tài)下流入電機線圈的電流就會減小,電機的輸出扭力達(dá)不到要求輸出,嚴(yán)重的情況下會造成電機失步或者電機只振動不轉(zhuǎn)。這就要求其驅(qū)動電路能夠提供穩(wěn)定的輸出電流,使步進電機具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動。一般設(shè)計中步進電機驅(qū)動都用采用三極管或者是用ULN2803IC等來驅(qū)動,這些驅(qū)動在實驗板或一些轉(zhuǎn)速不高、帶動負(fù)載小的應(yīng)用場所使用比較合適,在實際工作設(shè)計中遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需要求。針對這些問題,各大公司陸續(xù)推出了專用的步進電機驅(qū)動芯片,簡化其驅(qū)動設(shè)計。Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊就是一款性能使用簡單控制優(yōu)良的步進電機控制模塊,該多芯片模塊能為步進電機提供穩(wěn)定的輸出電流,使電機能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動。

2 步進電機驅(qū)動設(shè)計

SMA7029M是專為高效率、高性能的兩相單極步進電機設(shè)計的多芯片模塊,它采用功率FET技術(shù)和單片邏輯控制電路對完成步進電機的運動控制。同一系列的還有SLA7024M和SLA7026M,三個芯片模塊不同主要是在輸出額定電流(1.5 A或3.0 A)和包裝樣式上。

2.1 SMA7029M結(jié)構(gòu)及驅(qū)動設(shè)計

SMA7029M內(nèi)部主要包含電流峰值檢測部分,PWM關(guān)閉時間控制部分,電機邏輯控制部分,輸出電流及回流電流控制部分,如圖1所示。其工作過程主要是通過電流采樣,通過峰值檢測電路得到當(dāng)前最大電流,根據(jù)其結(jié)果控制PWM工作時間,最終達(dá)到控制整個芯片組輸出電流的目的。

圖1 SMA7029M的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外圍電路

圖1也給出基于SMA7029M芯片組電機驅(qū)動設(shè)計的外圍電路,主要包含參考電壓取樣電路,OC門反向器輸入電路,電流取樣以及輸出變壓器耦合電路。通過設(shè)置電路中的R3=47 kΩ,C1=470 pF,可以得到脈寬約等于12 μs。

2.2 邏輯控制關(guān)系

SMA7029M可以通過外部邏輯控制實現(xiàn)電機狀態(tài)的改變,表1給出了詳細(xì)的控制方式及輸出結(jié)果。

表1 SMA7029M半步進操作狀態(tài)

Sequence狀 態(tài)

012345670

Input AHHLLLLLHH

Input A or tdaLLLHHHLLL

Input BLHHHLLLLL

Input B or tdbLLLLLHHHL

Output(s) ONAABBABAABBABA

其中tda和tdb連接外部OC門反相器的邏輯控制信號,連接關(guān)系見圖1所示。從表1中可以看出,不同控制關(guān)系下輸出的不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移,A和B兩個通道可以獨立控制,例如在狀態(tài)0及狀態(tài)2下A,B通道分別獨立工作,而在狀態(tài)1下二者可以同時工作。

2.3 工作模式選擇

通過改變圖1中外部元器件取值來設(shè)置PWM電流啟動點。Vb是供電電壓,典型取值為5 V;R1,R2為分壓電阻,為所需參考電壓提供合適的輸入;Rs是電流取樣電阻。其中參考電壓Vref輸入最大不能超過2 V,相應(yīng)地選擇合適的電阻。在正常PWM模式(滿電流工作)下,Iout需要設(shè)置到電機工作所需的滿電流,它由式(1)決定:

Iout=R2R1+R2?VbRs

(1)

為了使輸出電流可調(diào),可以將圖1中的固定電阻R2改用可調(diào)電位器。在保持電流模式下,圖2增加電路可以減小步進電機的電壓。

其中外部三極管可以改變分壓比,使參考電壓Vref發(fā)生變化,從而減小輸出電流。此時的Ihold由電阻R1,R2,Rx,Rs以及電壓Vb共同決定:

Ihold=R2RxR1R2+R1Rx+R2Rx?VbRs

(2)

圖2 保持電流模式下參考電壓電路

3 結(jié) 語

步進電機驅(qū)動作為現(xiàn)代機電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件之一,在當(dāng)今社會中發(fā)揮的作用越來越重要,從數(shù)控機床、包裝機械到電腦的外圍裝置、機器人系統(tǒng)、儀表儀器等各種信息工業(yè)產(chǎn)品中,都離不開步進電機,進而也對其驅(qū)動電路設(shè)計提出了進一步的要求。本文以Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊為核心,實現(xiàn)了一種控制簡單、成本低廉的兩相單極性步進電機驅(qū)動器,通過設(shè)計合適參數(shù)控制步進電機輸入電流。通過在包裝機控制系統(tǒng)中的實際使用,進一步證明了該步進電機驅(qū)動器工作可靠,效率高,矩頻特性好,可以廣泛應(yīng)用于小型機電一體化設(shè)備中。

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