彭宇林，覃貴禮，安　軻，梁維剛

(1. 廣西職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530226；2. 廣西師范大學 物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

0　引　言

步進電機是一種由脈沖信號控制產生角位移、無位置累積誤差的開環(huán)可控元件。在允許載荷情況下，步進電機的轉速、角位移由脈沖信號頻率和脈沖數決定。由于步進電機轉動的步距角與控制信號脈沖數存在線性關系，故其速度、轉角度均能精準控制，因此步進電機在數控系統(tǒng)、工業(yè)過程控制等領域廣泛應用。

本文根據步進電機的工作原理及應用，介紹一種基于LV8731V芯片的步進電機細分驅動器的設計方案及其實現電路圖。本設計不僅適用于高校機電類或電氣自動化類專業(yè)相關課程的教學與實踐，也適用于實際生產生活中的機電一體化設備。

1　細分驅動器方案設計

本設計采用電機控制芯片LV8731V設計驅動器主電路，高速光耦TLP112A實現控制信號隔離，撥碼開關設置細分模式及輸出電流，芯片LM78M05和AMS1117-1.5提供5 V和1.5 V工作電壓。細分驅動器的設計方案如圖1所示的虛線框部分。

2　細分驅動器主要硬件電路設計

2.1　驅動器主電路

圖1　細分驅動器設計方案

LV8731V是三洋公司的雙通道H橋驅動芯片，內置PWMV電流控制步進電機驅動芯片，其包含2種驅動模式，分別為DCM模式和STM模式。LV8731V額定工作電壓為9～32 V，輸出峰值電流為2.5 A；超低導通電阻(0.55 Ω)，具有內置輸出短路保護及異常狀態(tài)警告輸出功能；可設置4檔通電電流模式， 4種細分模式。LV7831V內部電路原理框圖[1]如圖2所示，其主要信號引腳及功能[1]如表1所示。

圖2　LV7831V內部電路原理框圖

表1　LV8731V主要信號引腳及功能

本設計的主電路原理圖如圖3所示，DM(引腳18)、RST/BLK(引腳13)和OE(引腳19)均接地，將驅動器設置為正常工作狀態(tài)的STM驅動模式，且輸出有效；通過MD1/DC11(引腳17)和MD2/DC12(引腳16)設置驅動器細分模式， ATT1(引腳7)和ATT2(引腳6)設置驅動器的輸出電流；外部控制器與細分驅動器之間連接3個控制信號即可驅動步進電機，控制信號分別為STEP/DC22(引腳14，即控制脈沖信號)、FR/DC21(引腳15，即方向控制信號)和ST(引腳20，即 “待機/工作”狀態(tài)設置信號)。

圖3　驅動器主電路原理圖

2.2　控制信號隔離電路

為防止電機工作時干擾或損壞外部控制器接口，通常將控制器與驅動器進行光電隔離，且控制器和驅動器均采用單獨電源供電。本設計的控制信號隔離電路如圖4所示，采用3個高速光耦TLP112A分別隔離3個控制信號STEP/DC22(引腳14)、FR/DC21(引腳15)和ST(引腳20)，即步進電機轉速和角度、方向控制信號及使能信號。本設計的光耦TLP112A采用共陰輸入及反向輸出接法，DGND為外部控制器公共地，AGND為驅動器公共地，AGND與DGND不相連。經隔離后，驅動器控制接口CLK、DIR和EN經光耦反向后分別與STEP、FR和ST相連。步進電機運行所需控制信號STEP、FR和ST設置[1]如表2所示。

表2　STEP、FR和ST設置

圖4　控制信號隔離電路

2.3　細分模式、輸出電流設置電路

本設計采用撥碼開關和上拉電阻設置驅動器的勵磁模式和細分模式，及其輸出電流，如圖5所示。通過MD1/DC11(引腳17)和MD2/DC12(引腳16)設置驅動器的勵磁模式和細分模式[1，2]，如表3所示。

根據ATT1(引腳7)與ATT2(引腳6)的4種不同輸入狀態(tài)，設置基準電壓VREF的衰減比以設置驅動器輸出電流。ATT1、ATT2狀態(tài)與基準電壓UREF衰減比關系[1-2]如表4所示。輸出電流(Iout)由基準電壓值UREF、電阻RF和基準電壓衰減比決定。根據如下公式[1]，可算出驅動器輸出電流。本設計R12和R13阻值均選用0.3 Ω。

Iout=(基準電壓值UREF/5)×(基準電壓衰減比)/RF

圖5　細分模式和輸出電流設置電路

表3　勵磁模式、細分模式

表4　ATT1、ATT2狀態(tài)與基準電壓衰減比關系

3　驅動器測試與應用

本設計采用Arduino UNO單片機和三菱FX3G系列PLC對57兩相步進電機進行測試，測試方案如圖1所示。若控制器I/O口為5 V電平時，接口保護電阻R直接短路連接即可；若I/O口電平為12 V或24 V時，電阻R分別接1 kΩ或2.2 kΩ。當EN 輸入低電平或懸空時，ST為高電平，則電機正常工作；反之，脫機。在電機正常工作情況下，當DIR輸入低電平或懸空時，FR為低電平，則電機正轉；反之，反轉。測試過程中，將驅動器設置為不同細分模式及不同輸出電流模式，控制器輸出脈沖信號頻率在10 kHz內可調，步進電機正常穩(wěn)定工作，轉速可控，達到預期設計目標。

本設計已用于自主研制的多功能三維運動教學演示裝置，并能精確控制演示裝置的X、Y、Z三個軸，取得較好效果；此外，學生還用于參加學科競賽的作品設計，并取得較好成績。

4　結束語

本文提出基于LV8731V的步進電機細分驅動器的解決方案，完成了驅動器的電路圖設計，并通過實驗測試。本設計已應用于教學和實踐，效果良好，達到預期設計要求。

參考文獻：

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