一种实用的三相步进电机驱动器的设计

步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，是较早使用的典型机电一体化元件组件 例如，在机械装置中可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用步进电机带动螺旋电位器，调节电压或电流，从而实现对执行机构的控制。步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，使用起来非常方便，在阀门控制、数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电机、步进电机驱动器构成了步进电机系统不可分割的两大部分。本文介绍一种实用的三相反应式步进电机驱动电路的设计。

1 应用器件简介
1.1 PMM8713芯片
    PMM8713是由日本Sanyo(三洋)电机公司生产的步进电机控制用脉冲分配器(又称逻辑转换器)，为双列直插式16脚单片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。励磁有1相、2相和1-2相3种方式，通过电路设计可任选其中的一种激励方式。此外，PMM8713还具有单时钟或双时钟工作方式，带有正反转控制功能以及初始化复位功能，其内部有时钟选通、激励方式控制、可逆环形计数、激励方式判断等电路。
    因为PMM8713所有输入端均采用施密特整形电路，因此抗干扰能力强。输出电流大于20 mA，可直接驱动微型步进电机。逻辑框图如图1所示。
 
1.2 LM331芯片
    LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压(F/V)转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其逻辑框图如图2所示。
  
    LM331内部有输入比较电路、定时比较电路、R-S触发电路、复零晶体管、输出驱动管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护电路等。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外。LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40 V，输出也高达40 V。
1.3 电压-频率变换
    LM331外接电路简单，只需接入几个外部元件就可以方便地构成电压/频率(V/F)或频率/电压(F/V)变换电路。本文选用LM331的电压/频率(V/F)转换功能.结构如图3所示。
  
    外接阻容Rt、Ct和内部电路构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入正电压 时，Vi+大于Vi-，输入比较器输出高电平，R-S触发器置位，输出高电平使输出驱动管导通，从而第3脚f0输出逻辑低电平。同时，电流源IR对电容CL充电。由于复零晶体管的基极接在R-S触发器的反相输出端，因此，复零晶体管截止，电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当Uct大于2/3 Vcc时，定时比较器输入端(第5脚)为正，因而输出逻辑高电平至R-S触发器的复位端，使R-S触发器复位。R-S触发器正相输出端输出低电平使输出驱动管截止，Vdd通过上拉电阻R0使LM331第3脚f0输出逻辑高电平。此时，R-S触发器反相输出端输出高电平使复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管对地放电。电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL对地放电。当电容CL放电电压等于输入比较器的正输入端电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R-S触发器置位，输出驱动管导通，f0输出逻辑低电平。如此反复循环，从而在f0端输出一定频率的脉冲信号。根据电容上电荷平衡原理和相关电学知识，设电容的充电时间为t1，放电时间为t2。由C=Q/U， I=Q/t，Q_放=Q_充，可以得至I_放t₂=I_充t₁→t₂U_L/R_L=(I_R-U_L/R_L)t₁→(t₁+t₂)= (I_Rt₁R_L)/U_L；又f=1/T，这里T=t₁+t₂，所以：
f0=1/(t1+t2)=UL/(I_Rt₁R_L)
    UL为电容C 两端的电压，因为UL在大约10 mV的范围内波动，因此，UL=Vi，故：
f0=V_i/(I_Rt₁R_L) (1)
    从(1)式可以看出，LM331的输出频率. f0与输入电压Vi成正比，从而实现了输入电压和输出频率的变换。t1由外接的定时元件Rt和Ct决定，其关系为t1=1.1RtCt，这样可以依据设计电路的要求相应地选取Rt和Ct的值。 由内部精密电流源提供.IR=1.9 V/Rs。式(1)可变为
f0= V_iR_s/(2.09R_LR_tC_t) (2)
    输入电阻Ri使7脚偏流抵消6脚偏流的影响，从而减小了频率偏差。Rs为可调电阻，它的作用是调整LM331的增益偏差。Ci为滤波电容，一般为0.01～0.1 uF，在滤波效果较好的情况下，可使用1uF的电容。当6脚和7脚的RC时间常数匹配时，输入电压的阶跃变化将引起输出频率的阶跃变化。为了提高精度和稳定度，阻容元件选用低温度系数的器件。

2 驱动器电路设计
    驱动电路如图4所示。外接电阻Rt和电容Ct 、内部定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入的电压大于Vi-输入端的电压时，f0输出逻辑低电平。同时，电流源IR对电容CL充电。电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端的充电电压大于Vcc的2/3时，输出端，f0输出逻辑高电平。f0信号输出至PMM8713 芯片的时钟端，该频率经PMM8713处理后，在A、B、C脚输出一定频率的驱动信号来控制功率三极管的导通时间，从而控制步进电机的转速。
 
    方向控制电路由LM348四电路通用运算放大器构成。外部方向控制信号通过LM348和基准电压构成电压比较电路。当Vdi大于基准电压VH时，U3A输出为正，接至PMM8713的第4脚，控制输出端输出正相脉冲序列。当Vdi小于基准电压VH时，输出端为负，接至PMM8713的第4脚，控制输出端输出负相脉冲序列，相应相驱动输出端输出正反向脉冲序列，从而控制步进电机的正反转。