某掃描器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

改造者：張大威 毛 林

某掃描器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

改造者：張大威 毛 林

本文以某型掃描器為步進(jìn)電機(jī)的典型應(yīng)用對(duì)象，在分析了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了研究，完成了基于專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8811的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。并對(duì)此步進(jìn)電路的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了調(diào)試測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)電路工作可靠，滿足設(shè)計(jì)需求。最后，對(duì)本文的研究工作和所取得的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合實(shí)際開(kāi)發(fā)中的體會(huì)，提出了進(jìn)一步的展望。

步進(jìn)電機(jī)概述

步進(jìn)電機(jī)利用電子電路將直流電變換為步進(jìn)電機(jī)工作所需的脈沖電流，通過(guò)多相時(shí)序控制輸出電流為步進(jìn)電機(jī)定子繞組供電。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(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（步距角），步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是按照固定的角度一步一步的運(yùn)行。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)總體設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路需求分析

本課題的主要設(shè)計(jì)需要如下：

設(shè)計(jì)兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，相驅(qū)動(dòng)電流0.4～3A，可調(diào)節(jié)；

輸入信號(hào)采用脈沖加方向控制模式；

輸入頻率100～1000Hz。

主要技術(shù)參數(shù)如下：

所選元器件滿足-45℃～60℃的環(huán)境要求，系統(tǒng)能夠滿足運(yùn)輸機(jī)及直升機(jī)的環(huán)境技術(shù)要求。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有條件及技術(shù)儲(chǔ)備，深入研究課題的需求，經(jīng)綜合比較和篩選后本方案的設(shè)計(jì)將以簡(jiǎn)單實(shí)用、穩(wěn)定可靠為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。本文利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成芯片DRV8811完成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

專用集成驅(qū)動(dòng)芯片DRV8811步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

專用步進(jìn)電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)模塊DRV8811

由需求分析可知，設(shè)計(jì)兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，相驅(qū)動(dòng)電流0.4～3A，且可調(diào)節(jié)。目前常用的專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TA8435由于其峰值電流只能達(dá)到2.5A，故不能滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)需求。在本文中，采用了德州儀器（TI）的高性能專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8811設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。該芯片可以十分方便的為掃描器、打印機(jī)及其他一些自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元—步進(jìn)電機(jī)提供集成驅(qū)動(dòng)方案，并且設(shè)計(jì)電路及其簡(jiǎn)單易行。

DRV8811步進(jìn)電機(jī)專用集成驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部集成了兩路H橋驅(qū)動(dòng)電路，適用于兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，支持8V～38V輸入電壓，最寬溫度范圍為-60°～150°，輸出電流峰值可達(dá)6A，完全滿足設(shè)計(jì)的需求。

DRV8811步進(jìn)電路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在詳細(xì)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路之前，需要首先了解DRV8811的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，在此基礎(chǔ)上才能完善設(shè)計(jì)。

電流檢測(cè)—恒流斬波參數(shù)選擇設(shè)計(jì)

DRV8811的內(nèi)部恒流斬波PWM模塊中，采樣電阻的輸入經(jīng)過(guò)了一個(gè)8倍的放大器。故參與比較的電壓為采樣電壓的8倍。設(shè)步進(jìn)電機(jī)定子繞組上的電流為ICHOP， ISENA和ISENB引腳外接的電阻阻值均為RISEN。第8引腳VREF外接電壓為VREF，則當(dāng)斬波電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出時(shí)，應(yīng)用如下關(guān)系式：

RCA和RCB兩個(gè)引腳外接的電阻和電容決定了恒流斬波電路的PWM的脈沖周期，設(shè)該引腳外接的并聯(lián)的電阻值為R ，電容值為C ，則PWM恒流斬波的周期為

因此可以通過(guò)合理設(shè)置電阻R ，電容C的值來(lái)設(shè)置PWM恒流斬波的周期。

細(xì)分電路設(shè)計(jì)

DRV8811集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可以十分方便的用來(lái)配置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分方式。與細(xì)分方式相關(guān)的引腳為USM0，USM1——12，13。本設(shè)計(jì)中采用撥碼開(kāi)關(guān)硬件配置細(xì)分方式。

方向控制設(shè)計(jì)

DRV8811有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向控制引腳DIR—3，該引腳電平狀態(tài)不一樣時(shí)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù)需求分析可知，在設(shè)計(jì)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向可調(diào)，故本設(shè)計(jì)使用了一個(gè)切換開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行切換。初始默認(rèn)狀態(tài)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同時(shí)增加了方向指示燈。

步進(jìn)電機(jī)啟停切換及狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)

DRV8811有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)啟停控制引腳RESETn—17，該引腳為低電平時(shí)，復(fù)位DRV8811，步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)；該引腳為高電平時(shí)，啟動(dòng)DRV8811，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，用LED狀態(tài)燈顯示其運(yùn)行狀態(tài)。

脈沖信號(hào)輸入電路

DRV8811有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)電脈沖輸入引腳Step—19，該引腳接控制器的脈沖輸出。本設(shè)計(jì)中，需要調(diào)節(jié)主控制器的輸出脈沖頻率從100Hz～1000Hz可調(diào)，因此設(shè)計(jì)了4個(gè)輸入按鈕，分別用于輸入脈沖頻率的個(gè)位、十位、百位和千位?？刂破鞯臋z測(cè)信號(hào)為s1—s4，按鈕沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，輸入信號(hào)通過(guò)上來(lái)電阻被拉到高電平，當(dāng)按鈕有動(dòng)作時(shí)，檢測(cè)到輸入變?yōu)榈碗娖?，從而?duì)應(yīng)相應(yīng)的動(dòng)作。每次按鈕動(dòng)作，對(duì)應(yīng)的位加1，程序設(shè)計(jì)最高顯示至1000。

DRV8811主電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片DRV8811的電路設(shè)計(jì)中RCA和RCB的外接并聯(lián)電阻和電容值的乘積為恒流斬波電路的PWM輸出脈沖頻率?？烧{(diào)電阻R即用來(lái)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)定子繞組上的電流，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)需求中的電流可調(diào)的要求，另一個(gè)作用是作為電流檢測(cè)電路的采樣電阻，用來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定子繞組的恒流。

驅(qū)動(dòng)總電路設(shè)計(jì)

結(jié)合以上分析，控制采用AT89S52。

總結(jié)與展望

總結(jié)

本文所做的主要研究工作和取得的成果總結(jié)如下：

（1）在闡述了步進(jìn)電機(jī)的概況基礎(chǔ)上，結(jié)合課題的需求，提出了開(kāi)發(fā)某型掃描器的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)；

（2）根據(jù)需求分析，完成了采用專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)完成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，采用專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路更簡(jiǎn)單易行。

展望

盡管本文成功開(kāi)發(fā)了某型掃描器步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，但是由于時(shí)間限制和經(jīng)驗(yàn)有限，仍有需要進(jìn)一步完善的方向，列舉如下：

（1）設(shè)計(jì)的某型掃描器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電流較小，只能應(yīng)用于小功率的步進(jìn)電機(jī)場(chǎng)合，如何完善系統(tǒng)系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)中、大功率的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)；

（2）設(shè)計(jì)的某型掃描器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸出脈沖頻率為100Hz～1000Hz，如果需要提高此頻率，需要改進(jìn)哪些關(guān)鍵。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.036