一種步進電機控制驅動電路的製作方法

2023-12-01 10:56:01

專利名稱：一種步進電機控制驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種步進電機控制驅動電路。
背景技術：
現在廣泛採用的步進電機驅動控制方法存在輸出力矩大，但功耗高的缺點；還有 的驅動控制方法的驅動性能高，但電路及控制軟體複雜，造成整體可靠性能降低；為同時滿 足可靠性和大的輸出力矩、低功耗的要求，需要研製一種步進電機驅動控制電路。反應式 步進電機自身無自鎖力矩，所以在轉動過程和靜止過程中都需要在繞組兩端施加一定的電 流，維持一定的力矩。尤其是靜止過程中，繞組電流全部轉化為熱量散發，對電源及驅動電 路的散熱有較高的要求。如果步進電機採用電池供電，則步進電機靜止時不但消耗能量，還 影響系統的散熱和使用壽命。

發明內容
本發明目的是提供一種步進電機控制驅動電路，其解決了現有步進電機功耗高的 技術問題， 本發明的技術解決方案 —種步進電機控制驅動電路，其特殊之處在於 其包括隔離電路2 、低壓控制電路4 、高壓控制電路3 、微分電路5 、高壓驅動電路6 、 低壓驅動及鎖緊電路7; 所述隔離電路2包括光電耦合器D2 ;所述光電耦合器D2的輸入信號高端接信號 電源VCC，其輸入信號低端接控制脈衝信號，其輸出高端接低壓控制電路4，其輸出低端接 高壓控制電路3 ; 所述低壓控制電路4包括第三三極體V4 ;所述第三三極體V4的基極接光電耦合 器D2的輸出高端，其發射極接高壓電源VH，其集電極接低壓驅動及鎖定電路的輸入端；
所述高壓控制電路3包括第一三極體V5、第二三極體V6 ;所述第一三極體V5的基 極接光電耦合器D2的輸出低端，其集電極接高壓電源VH，其發射極接驅動電源地；所述第 二三極體V6的基極接第一三極體V5的集電極，其集電極接高壓電源VH，其發射極接驅動電 源地； 所述微分電路5包括微分電容03*、充電電阻R10、第一二極體V7 ;所述微分電容 C3*的一端接第二三極體V6的集電極，其另一端接第一二極體V7的正端，所述第一二極體 V7的負端接高壓驅動電路6的輸入端；所述充電電阻R10的一端接第一二極體V7的正端， 其另一端接驅動電源地； 所述高壓驅動電路6包括第四三極體V8、 PMOS管VI和力矩匹配電阻Rl ;所述第 四三極體V8的基極接第一二極體的負端，其集電極接PMOS管VI的柵極，其發射極接驅動 電源地；所述PMOS管VI的源極接高壓電源VH，其漏極通過力矩匹配電阻Rl接低壓驅動及 鎖緊電路；
所述低壓驅動及鎖定電路7包括驅動三極體V2、肖特基二極體V3 ;所述驅動三極 管V2的基極接第三三極體V4的集電極，其集電極通過力矩匹配電阻Rl接PM0S管VI的漏 極，其發射極接步進電機繞組L ;所述肖特基二極體V3的正端接低壓電源VL，其負端接驅動 三極體V2的集電極。 上述控制驅動電路包括整形濾波電路1 ，所述整形濾波電路1包括施密特觸發反 相器D1和埠保護電阻R2，所述施密特觸發反相器D1的輸入端接控制脈衝信號，其輸出 端接光電耦合器D2的輸入信號低端；所述埠保護電阻R2的一端接施密特觸發反相器D1 的輸入端，其另一端接地。 上述控制驅動電路包括與步進電機繞組L並聯的保護電路8 ;所述保護電路8包 括第二二極體V9和加速釋放電阻&。 上述第三三極體V4為PNP管；所述驅動三極體為達林頓管。
本發明所具有的有益效果 1、本發明電路與控制器的脈衝控制電路組合成完整的步進電機控制系統，對控制 器軟體要求低。 2、電機運轉時採用高壓實現大輸出力矩要求，靜態鎖緊時採用低壓，實現低功耗 大力矩鎖緊，微分電路實現了驅動高電壓和驅動低電壓的無縫切換，驅動力矩大，可維持力 矩平衡；對電源及驅動電路的散熱要求降低。 3、可靠性高，適用於對可靠性要求高的反應式步進電機自動控制系統。
4、本發明也適用於對鎖緊力矩有較大要求的混合式步進電機的驅動控制。


圖1為本發明超速保護電路電路的原理框；
圖2為本發明超速保護電路電路的電路示意圖； 圖3為本發明控制信號、低壓控制電路輸出信號、微分電路輸出信號以及電機繞 組電壓的對應關係圖。
具體實施例方式
本發明步進電機控制驅動電路，包括整形濾波電路1、隔離電路2、低壓控制電路 4、高壓控制電路3、微分電路5、高壓驅動電路6、低壓驅動及鎖緊電路7、保護電路8 ;整形 濾波電路1包括施密特觸發反相器Dl和埠保護電阻R2，施密特觸發反相器Dl的輸入端 接控制脈衝信號，其輸出端接光電耦合器D2的輸入信號低端；埠保護電阻R2的一端接施 密特觸發反相器D1的輸入端，其另一端接地；隔離電路2包括光電耦合器D2 ;光電耦合器 D2的輸入信號高端接信號電源VCC ;低壓控制電路4包括第三三極體V4 ;第三三極體V4的 基極接光電耦合器D2的輸出高端，其發射極接高壓電源VH ;第三三極體V4具體可選擇PNP 管；高壓控制電路3包括第一三極體V5、第二三極體V6 ;第一三極體V5的基極接光電耦合 器D2的輸出低端，其集電極接高壓電源VH，其發射極接驅動電源地；第二三極體V6的基極 接第一三極體V5的集電極，其集電極接高壓電源VH，其發射極接驅動電源地；微分電路5 包括微分電容03*、充電電阻R10、第一二極體V7 ;微分電容C3*的一端接第二三極體V6的 集電極，其另一端接第一二極體V7的正端，充電電阻RIO的一端接第一二極體V7的正端，其另一端接驅動電源地；高壓驅動電路6包括第四三極體V8、 PM0S管VI和力矩匹配電阻 Rl ;第四三極體V8的基極接第一二極體V7的負端，其集電極接PM0S管V1的柵極，其發射 極接驅動電源地；PM0S管V1的源極接高壓電源VH ;低壓驅動及鎖定電路7包括驅動三極體 V2、肖特基二極體V3 ;驅動三極體V2的基極接第三三極體V4的集電極，其集電極通過力矩 匹配電阻Rl接PMOS管VI的漏極，其發射極接步進電機繞組L ;肖特基二極體V3的正端接 低壓電源VL，其負端接驅動三極體V2的集電極；驅動三極體V2還可選擇達林頓管；保護電 路8與步進電機繞組L並聯，包括第二二極體V9和加速釋放電阻&。 本發明工作原理脈衝控制電路產生的脈衝控制信號經隔離電路變換，同時產生 兩路控制信號，其中低壓控制信號與控制脈衝信號同步，控制步進電機繞組工作；高壓控制 信號控制微分電路工作，微分電路用於產生精確的定時脈衝，其輸出信號與控制脈衝同步 但脈衝寬度不同，此高壓控制信號控制高壓驅動電路的P溝道MOS管的通斷。當脈衝控制 信號有效時，隔離輸出的高壓控制信號和低壓控制信號均有效，此時電機繞組高壓工作，電 機電流瞬間建立，保證電機輸出力矩大；當電機繞組電流達到設定的要求時，微分控制電路 輸出信號置低，高壓驅動電路截止，同時低壓驅動及鎖定電路自動連接至電機繞組工作，維 持電機繞組電流，此時電路的功耗僅為驅動三極體V2的功耗。當調整微分電路參數或者步 進電機工作頻率使輸入信號脈衝寬度小於微分電路充放電時間時，微分電路在電機運轉過 程中不起作用，電機為高壓運轉控制狀態，如圖3中的d、e、f波形；當電機處於靜態鎖定狀 態時自動切換為低電壓鎖緊狀態，為低功耗狀態。 根據電機輸出力矩要求，可對微分電路參數進行調整，以改變電機驅動的高低壓 驅動狀態，當步進電機工作頻率較高，使控制脈衝脈寬小於微分電路控制時間時，微分電路 使低壓驅動在電機運轉過程中不起作用；當電機停止運轉時，微分電路控制電機為低壓鎖 緊的低功耗狀態。當微分電路控制時間低於電機控制信號脈寬時，電機繞組工作瞬間為高 壓驅動，保證很快達到輸出力矩所需驅動電流，當電流達到力矩要求時，驅動電壓轉換為低 壓驅動，維持驅動電流達到力矩要求，如圖3中a、b波形。
本發明工作過程 電機運轉控制信號為脈衝信號，高電平有效，信號頻率依電機運轉速率要求確定。
控制信號經施密特觸發反相器後變為低電平，同時施密特觸發反相器對信號進行 整形濾波，此時光耦輸出端導通，則第三三極體V4導通，即低壓控制信號為高(有效狀態)， 控制驅動三極體V2導通；光耦的導通同時使第一三極體V5導通，第一三極體V5的集電極 為低電位，使第二三極體V6截止，微分電路中的電容C3A開始充電，微分控制信號為高電 平，微分控制信號(有效狀態)經第一二極體V7後，輸出至第四三極體V8，第四三極體V8 導通時，高壓控制電路工作，PM0S管V1導通，此時高壓、低壓控制信號均有效，肖特基二極 管V3對低壓進行截止，電機繞組L通高電壓。隨著光耦D2的導通，微分電路輸出信號逐 漸降低，當低於第一二極體V7的導通電壓時，微分控制信號為低電位，第四三極體V8截止， PM0S管VI截止，高壓控制電路不工作，低壓通過肖特基二極體V3連接到電機繞組L，維持 電機繞組電流，此時電路功耗僅為肖特基二極體V3、第三三極體V4的功耗，肖特基二極體 V3自身功耗很低。 控制信號(L)為低電平時，經施密特觸發反相器後變為高電平，此時光耦輸出端 截止，第三三極體V4、第一三極體V5均不導通導通，微分電路電容C3*放電，驅動三極體V2、 PMOS管VI均不導通，電機繞組不通電。 根據電機驅動缸電流，可選擇PMOS管V1、驅動三極體V2，使驅動電流在0. 5 10A 間設置。當驅動電流要求較大時，驅動三極體V2應選擇達林頓管，並保證其工作在飽和導 通狀態。
權利要求
一種步進電機控制驅動電路，其特徵在於其包括隔離電路(2)、低壓控制電路(4)、高壓控制電路(3)、微分電路(5)、高壓驅動電路(6)、低壓驅動及鎖緊電路(7)；所述隔離電路(2)包括光電耦合器(D2)；所述光電耦合器(D2)的輸入信號高端接信號電源(VCC)，其輸入信號低端接控制脈衝信號，其輸出高端接低壓控制電路(4)，其輸出低端接高壓控制電路(3)；所述低壓控制電路(4)包括第三三極體(V4)；所述第三三極體(V4)的基極接光電耦合器(D2)的輸出高端，其發射極接高壓電源(VH)，其集電極接低壓驅動及鎖定電路的輸入端；所述高壓控制電路(3)包括第一三極體(V5)、第二三極體(V6)；所述第一三極體(V5)的基極接光電耦合器(D2)的輸出低端，其集電極接高壓電源(VH)，其發射極接驅動電源地；所述第二三極體(V6)的基極接第一三極體(V5)的集電極，其集電極接高壓電源(VH)，其發射極接驅動電源地；所述微分電路(5)包括微分電容(C3*)、充電電阻(R10)、第一二極體(V7)；所述微分電容(C3*)的一端接第二三極體(V6)的集電極，其另一端接第一二極體(V7)的正端，所述第一二極體(V7)的負端接高壓驅動電路(6)的輸入端；所述充電電阻(R10)的一端接第一二極體(V7)的正端，其另一端接驅動電源地；所述高壓驅動電路(6)包括第四三極體(V8)、PMOS管(V1)和力矩匹配電阻(R1)；所述第四三極體(V8)的基極接第一二極體的負端，其集電極接PMOS管(V1)的柵極，其發射極接驅動電源地；所述PMOS管(V1)的源極接高壓電源(VH)，其漏極通過力矩匹配電阻(R1)接低壓驅動及鎖緊電路；所述低壓驅動及鎖定電路(7)包括驅動三極體(V2)、肖特基二極體(V3)；所述驅動三極體(V2)的基極接第三三極體(V4)的集電極，其集電極通過力矩匹配電阻(R)1接PMOS管(V1)的漏極，其發射極接步進電機繞組(L)；所述肖特基二極體(V3)的正端接低壓電源(VL)，其負端接驅動三極體(V2)的集電極。
2. 根據權利要求1所述的步進電機控制驅動電路，其特徵在於所述控制驅動電路包 括整形濾波電路(l)，所述整形濾波電路(1)包括施密特觸發反相器(Dl)和埠保護電阻 (R2)，所述施密特觸發反相器(Dl)的輸入端接控制脈衝信號，其輸出端接光電耦合器(D2) 的輸入信號低端；所述埠保護電阻(R2)的一端接施密特觸發反相器(Dl)的輸入端，其另 一端接地。
3. 根據權利要求1或2所述的步進電機控制驅動電路，其特徵在於所述控制驅動電 路包括與步進電機繞組(L)並聯的保護電路(8);所述保護電路(8)包括第二二極體(V9) 和加速釋放電阻(RL)。
4. 根據權利要求3所述的步進電機控制驅動電路，其特徵在於所述第三三極體(V4) 為PNP管；所述驅動三極體為達林頓管。
全文摘要
本發明涉及一種步進電機控制驅動電路，其包括隔離電路(2)、低壓控制電路(4)、高壓控制電路(3)、微分電路(5)、高壓驅動電路(6)、低壓驅動及鎖緊電路(7)；本發明解決了現有步進電機功耗高的技術問題，本發明具有對控制器軟體要求低、低功耗、驅動力矩大，可維持力矩平衡；對電源及驅動電路的散熱要求降低、可靠性高的優點。
文檔編號H02P8/12GK101753085SQ200910254499
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者劉軍 申請人:中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所