王黨利,寧生科,馬寶吉

(西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心,西安710021)

王黨利(工程師),主要研究方向?yàn)闄C(jī)電工程應(yīng)用、自動(dòng)控制;寧生科、馬寶吉(教授),主要研究方向?yàn)闄C(jī)電工程應(yīng)用。

引 言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)后,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。首先,通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;其次,通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。目前,步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn),在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛,常用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路常用的芯片有L297和L298組合應(yīng)用、3977、8435等,這些芯片一般單相驅(qū)動(dòng)電流在2 A左右,無法驅(qū)動(dòng)更大功率電機(jī),限制了其應(yīng)用范圍。本文基于東芝公司2008年推出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6560提出了一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.1 TB6560簡介

TB6560是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。其主要特點(diǎn)有:內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng);最高耐壓40 V,單相輸出最大電流3.5 A(峰值);具有整步、1/2、1/8、1/16 細(xì)分方式;內(nèi)置溫度保護(hù)芯片,溫度大于150℃時(shí)自動(dòng)斷開所有輸出;具有過流保護(hù);采用HZIP25封裝。TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要包括3部分電路:控制信號(hào)隔離電路、主電路和自動(dòng)半流電路。

1.2 步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)隔離電路

步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)隔離電路如圖1所示,步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)有3個(gè)(CLK、CW、ENABLE),分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度、電機(jī)正反方向以及使能,均須用光耦隔離后與芯片連接。光耦的作用有兩個(gè):首先,防止電機(jī)干擾和損壞接口板電路;其次,對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行整形。對(duì)CLK、CW信號(hào),要選擇中速或高速光耦,保證信號(hào)耦合后不會(huì)發(fā)生滯后和畸變而影響電機(jī)驅(qū)動(dòng),且驅(qū)動(dòng)板能滿足更高脈沖頻率驅(qū)動(dòng)要求。本設(shè)計(jì)中選擇2片6N137高速光耦隔離 CLK、CW,其信號(hào)傳輸速率可達(dá)到10 MHz,1片TLP521普通光耦隔離ENABLE信號(hào)。應(yīng)用時(shí)注意:光耦的同向和反向輸出接法;光耦的前向和后向電源應(yīng)該是單獨(dú)隔離電源,否則不能起到隔離干擾的作用。

圖1 步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)隔離電路

1.3 步進(jìn)電機(jī)主電路

如圖2所示,步進(jìn)電機(jī)主電路主要包括驅(qū)動(dòng)電路和邏輯控制電路兩大部分。

圖2 步進(jìn)電機(jī)主電路

驅(qū)動(dòng)電路電源采用28 V,電壓范圍為4.5～40 V,提高驅(qū)動(dòng)電壓可增大電機(jī)在高頻范圍轉(zhuǎn)矩的輸出,電壓選擇要根據(jù)使用情況而定。VM B、VMA為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源引腳,應(yīng)接入瓷片去耦電容和電解電容穩(wěn)壓。OUT_AP、OUT_AM 、OUT_BP、OUT_BM 引腳分別為電機(jī)2相輸出接口,由于內(nèi)部集成了續(xù)流二極管,這4個(gè)輸出口不用像東芝公司的8435驅(qū)動(dòng)芯片那樣外接二極管,從而極大地減小電路板的布線空間。NFA、NFB分別為電機(jī)A、B相最大驅(qū)動(dòng)電流定義引腳,最大電流計(jì)算公式為 IOUT(A)=0.5(V)/RNF(Ω)[1],若預(yù)先定義電機(jī)每相的最大驅(qū)動(dòng)電流為2.5 A,取RNF=0.2 Ω,則 PGNDA、PGNDB、SGND分別為電機(jī) A、B 相驅(qū)動(dòng)引腳地和邏輯電源地。

邏輯控制電路電源為5 V,VDD為邏輯電源引腳,應(yīng)接入去耦電容和旁路電容減小干擾噪聲;M0、PROTECT為工作狀態(tài)和過流保護(hù)指示燈為芯片復(fù)位腳,低電平有效;OSC所接電容的大小決定了斬波器頻率,推薦100～1 000 pF,斬波頻率為400～44 kHz;M2、M1為細(xì)分設(shè)置引腳,外接撥碼開關(guān)可設(shè)定不同的細(xì)分值,如整步、半步、1/8細(xì)分、1/16細(xì)分。由于步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí),有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn),需要細(xì)分解決。

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制,從本質(zhì)上講是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的控制,使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下,合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小,相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。DCY2、DCY1外接撥碼開關(guān)設(shè)置電流衰減模式(0、25%、50%、100%),用于滿足不同的步進(jìn)電機(jī)需要。由于電機(jī)本身狀況、供電電源狀況及脈沖頻率等其他因素的影響,步進(jìn)電機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲,通過電流衰減模式的設(shè)置可減小甚至消除這種噪聲。圖3顯示了衰減模式為0和50%時(shí)線圈電流的變化,可看出波形具有明顯的改善。

圖3 衰減為0和50%時(shí)電機(jī)電流對(duì)比

1.4 步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)半流電路

步進(jìn)電機(jī)要減少發(fā)熱,就要減少銅損和鐵損。減少銅損就是減小電阻和電流,要求在選型時(shí)盡量選擇電阻小和額定電流小的電機(jī),但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對(duì)于已選定的電機(jī),首先,應(yīng)充分利用驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)半流控制功能和脫機(jī)功能,自動(dòng)半流在電機(jī)處于靜態(tài)時(shí)自動(dòng)減小電流,脫機(jī)功能是將輸出電機(jī)電流切斷;其次,細(xì)分驅(qū)動(dòng)器由于電流波形接近正弦,諧波少,電機(jī)發(fā)熱也會(huì)較少。減少鐵損與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān),高壓驅(qū)動(dòng)的電機(jī)雖然會(huì)帶來高速特性的提升,但也帶來發(fā)熱的增加。所以應(yīng)當(dāng)選擇合適的驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí),兼顧高速性、平穩(wěn)性和發(fā)熱、噪聲等指標(biāo)。

為盡可能減小電機(jī)發(fā)熱,需要TB6560的 TQ2和TQ1引腳電平在電機(jī)工作時(shí)設(shè)置為電流輸出最大,在電機(jī)不工作時(shí)電流減半甚至更小,故稱為“自動(dòng)半流電路”。用NFA、NFB定義最大輸出電流后,通過 TQ2和TQ1設(shè)置電流比率輸出,設(shè)為 00、01、10、11時(shí),輸出的電流分別為最大電流的100%、75%、50%、25%。改變電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流,也就改變了電機(jī)輸出扭矩的大小。自動(dòng)半流電路設(shè)計(jì)選用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路芯片74CH123,用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖CLK作為單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖。單穩(wěn)態(tài)電路的反向輸出接TQ2引腳,電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖持續(xù)時(shí)TQ2一直保持低電平,無驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)保持高電平。在圖2電路中,TQ1連接3個(gè)跳線帽。接跳線1,TQ2、TQ1始終同為高或低電平,驅(qū)動(dòng)電流在25%～100%切換;接跳線2,TQ2始終為低,電流在50%～100%切換;接跳線3,電流在25%～75%切換。可根據(jù)工作驅(qū)動(dòng)電流需要選擇不同跳線。

2 步進(jìn)電機(jī)失步和越步問題及解決方法

步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度,從而引起失步。失步產(chǎn)生的主要原因及解決方法:

①步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足,拖動(dòng)能力不夠,當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率達(dá)到某臨界值開始失步。由于步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩隨著連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而降低,因而凡是比該頻率高的工作頻率都將產(chǎn)生失步。

有3種解決方法:可使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大,為此可在額定電流范圍內(nèi)適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電流;在高頻范圍轉(zhuǎn)矩不足時(shí),適當(dāng)提高驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓;改用轉(zhuǎn)矩大的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等,也可使步進(jìn)電機(jī)需要克服的轉(zhuǎn)矩減小,為此可適當(dāng)降低電機(jī)運(yùn)行頻率,以便提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

②步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)失步。由于步進(jìn)電機(jī)自身及所帶負(fù)載存在慣性,當(dāng)加速時(shí)間過短時(shí)會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象。應(yīng)該設(shè)置合理的加速時(shí)間,使電機(jī)從低速度平穩(wěn)上升到某個(gè)速度。

③步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振也是引起失步的一個(gè)原因。步進(jìn)電機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí),如果控制脈沖的頻率等于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率,將產(chǎn)生共振。在一個(gè)控制脈沖周期內(nèi),振動(dòng)尚未得到充分衰減,下一個(gè)脈沖就已來到,因而在共振頻率附近動(dòng)態(tài)誤差最大并導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步。解決方法:減小步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流;采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法和阻尼方法。

轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量時(shí),轉(zhuǎn)子的平均速度會(huì)高于定子磁場(chǎng)的平均旋轉(zhuǎn)速度,使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩增大,從而使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生越步。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)存在越步時(shí),可減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流,以便降低步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩或使減速時(shí)間加長。

3 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該保證芯片邏輯電壓低于驅(qū)動(dòng)電壓,否則芯片不能正常工作;在選取NFA、NFB檢流電阻時(shí)應(yīng)選功率不小于2 W的無感電阻;對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源及驅(qū)動(dòng)輸出連線和地的印制板布線,應(yīng)保證能穩(wěn)定通過3 A電流;電源入口加熔斷器保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路,以免電機(jī)的電流過大燒毀電路板。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于雕刻機(jī)X、Y、Z三軸步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng),經(jīng)過試驗(yàn),雕刻的樣品如圖4所示。從最終結(jié)果看,精度滿足目標(biāo)要求。

圖4 雕刻機(jī)雕刻樣品

結(jié) 語

本文提出了基于TB6560的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案,并給出了步進(jìn)電機(jī)失步和越步問題的解決方法。試驗(yàn)證明,效果良好,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

[1]Toshiba.TB6560AHQ/AFG,PWM Chopper-Type Bipolar Driver IC for Stepping Motor Control,2008-04-07.