新型步进电机驱动电路的研制

1　引言

　 在实时控制领域，16位单片机由于其运算速度和精度已得到广泛的应用，尤其在工业过程控制及仪表中，16位单片机对于步进电机的精确控制具有特别重要的意义。在对某型船用燃油机的油门控制器的研制过程中,步进电机作为执行元件，如何提高步进电机的运动平稳性、抗干扰性、可靠性成为研究的核心问题。

　　对于基于16位单片机的步进电机控制系统来说，驱动电源的输出直接作用于步进电机的绕组，因而驱动电源性能好坏直接影响步进电机的运行性能。


2　对步进电机驱动电源的核心要求

　　由于步进电机的驱动电流比较大,所以单片机与步进电机的连接需要专门的功率放大电路和驱动电路。油门控制要求响应速度快,运动曲线复杂,所以要求步进电机提高运行特性和反应速度.因此控制系统对于功率放大驱动电路的核心要求是:

　　(1) 按总体要求提供步进电机的驱动电流;

　　(2) 实现对信号电流的快速响应;

　　(3) 保证步进电机的运行平稳性;

　　(4) 保证步进电机的运行精度,即做到步进电机不失一步;

　　本次设计采用步进电机的型号为75BF001,工作在三相六拍方式,额定电压24伏静态电流3A,步距角1.5°,保持转矩0.392 N·M,空载启动频率1500 PPS。


3　对步进电机功率放大电路的分析

　　本次设计采取80C196KC P1.0、P1.1、P1.2分别发出A相、B相、C相。步进脉冲经过光耦隔离后，再加至功率放大驱动电路。其初步电路方案如图2。当某一路，如P1.0为“1”时，光耦不工作，CMOS 管IRFP250导通。A相线圈通电，P1.0为“0”时，光耦工作，CMOS管IRFP250 B极拉至低电平而截止，线圈断电。由此可见，改变P1.0～P1.2引脚的电平,可实现 A相～C相的通断电控制。

　　其中,快速二极管D1的作用是为绕组建立续流回路,当步进电机某一相断电时,不会因为感性元件而产生冲击电流和反向高压,对CMOS管IRFP250起到保护作用。

　　CMOS管的理想工作状态是输出矩形波电压,但由于绕组线圈中的电流不能突变,接通电源后绕组中的电流按指数规律上升,时间常数t=L/r(L为绕组电感 ,r为绕组电阻),须经过3t时间才能达到稳态电流,由于绕组电阻很小,而绕组电感却很大,因而时间常数很大,从而严重影响了电机的启动频率和平稳运行。

　　为了克服这个缺点，在绕组中串联电阻R1。这样，t=L/（R1+r）时间常数大大减小，从而提高了电机的工作速度，改善了输出波形。不过尽管如此，一般的单电压驱动电路还是存在对脉冲电压响应速度慢，输出波形差和输出功率低等缺点。为了克服这些缺点，我们经过反复试验，研制出下面这种改进的单电压功率驱动电路。


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