步進電機又稱脈沖電動機或階躍電動機，是較早使用的典型機電一體化元件組件 例如，在機械裝置中可以用絲杠把角度變成直線位移，也可以用步進電機帶動螺旋電位器，調(diào)節(jié)電壓或電流，從而實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制。 步進電機可以直接接收數(shù)字信號，不必進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，使用起來非常方便，在閥門控制、數(shù)控機床、繪圖儀、打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。步進電機、步進電機驅(qū)動器構成了步進電機系統(tǒng)不可分割的兩大部分。本文介紹一種實用的三相反應式步進電機驅(qū)動電路的設計。 1 應用器件簡介 1.1 PMM8713芯片 PMM8713是由日本Sanyo（三洋）電機公司生產(chǎn)的步進電機控制用脈沖分配器（又稱邏輯轉(zhuǎn)換器），為雙列直插式16腳單片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。勵磁有1相、2相和1-2相3種方式，通過電路設計可任選其中的一種激勵方式。此外，PMM8713還具有單時鐘或雙時鐘工作方式，帶有正反轉(zhuǎn)控制功能以及初始化復位功能，其內(nèi)部有時鐘選通、激勵方式控制、可逆環(huán)形計數(shù)、激勵方式判斷等電路。 因為PMM8713所有輸入端均采用施密特整形電路，因此抗干擾能力強。輸出電流大于20 mA，可直接驅(qū)動微型步進電機。邏輯框圖如圖1所示。 1.2 LM331芯片 LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片。LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器以及其它相關的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片，其邏輯框圖如圖2所示。 LM331內(nèi)部有輸入比較電路、定時比較電路、R-S觸發(fā)電路、復零晶體管、輸出驅(qū)動管、能隙基準電路、精密電流源電路、電流開關、輸出保護電路等。輸出管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。此外。LM331可采用單/雙電源供電，電壓范圍為4～40 V，輸出也高達40 V。 1.3 電壓-頻率變換 LM331外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可以方便地構成電壓/頻率（V/F）或頻率/電壓（F/V）變換電路。本文選用LM331的電壓/頻率（V/F）轉(zhuǎn)換功能.結(jié)構如圖3所示。 外接阻容Rt、Ct和內(nèi)部電路構成單穩(wěn)定時電路。當輸入端Vi+輸入正電壓 時，Vi+大于Vi-，輸入比較器輸出高電平，R-S觸發(fā)器置位，輸出高電平使輸出驅(qū)動管導通，從而第3腳f0輸出邏輯低電平。同時，電流源IR對電容CL充電。由于復零晶體管的基極接在R-S觸發(fā)器的反相輸出端，因此，復零晶體管截止，電源Vcc通過電阻Rt對電容Ct充電。當Uct大于2/3 Vcc時，定時比較器輸入端（第5腳）為正，因而輸出邏輯高電平至R-S觸發(fā)器的復位端，使R-S觸發(fā)器復位。R-S觸發(fā)器正相輸出端輸出低電平使輸出驅(qū)動管截止，Vdd通過上拉電阻R0使LM331第3腳f0輸出邏輯高電平。此時，R-S觸發(fā)器反相輸出端輸出高電平使復零晶體管導通，電容Ct通過復零晶體管對地放電。 電流開關打向左邊，電容CL通過電阻RL對地放電。當電容CL放電電壓等于輸入比較器的正輸入端電壓Vi時，輸入比較器再次輸出高電平，使R-S觸發(fā)器置位，輸出驅(qū)動管導通，f0輸出邏輯低電平。如此反復循環(huán)，從而在f0端輸出一定頻率的脈沖信號。根據(jù)電容上電荷平衡原理和相關電學知識，設電容的充電時間為t1，放電時間為t2。由C=Q/U， I=Q/t，Q放=Q充，可以得至I放t2=I充t1→t2UL/RL=（IR-UL/RL）t1→（t1+t2）= （IRt1RL）/UL；又f=1/T，這里T=t1+t2，所以： f0=1/（t1+t2）=UL/（IRt1RL） UL為電容C 兩端的電壓，因為UL在大約10 mV的范圍內(nèi)波動，因此，UL=Vi，故： f0=Vi/（IRt1RL） （1） 從（1）式可以看出，LM331的輸出頻率. f0與輸入電壓Vi成正比，從而實現(xiàn)了輸入電壓和輸出頻率的變換。t1由外接的定時元件Rt和Ct決定，其關系為t1=1.1RtCt，這樣可以依據(jù)設計電路的要求相應地選取Rt和Ct的值。 由內(nèi)部精密電流源提供.IR=1.9 V/Rs。式（1）可變?yōu)? f0= ViRs/（2.09RLRtCt） （2） 輸入電阻Ri使7腳偏流抵消6腳偏流的影響，從而減小了頻率偏差。Rs為可調(diào)電阻，它的作用是調(diào)整LM331的增益偏差。Ci為濾波電容，一般為0.01～0.1 uF，在濾波效果較好的情況下，可使用1uF的電容。當6腳和7腳的RC時間常數(shù)匹配時，輸入電壓的階躍變化將引起輸出頻率的階躍變化。為了提高精度和穩(wěn)定度，阻容元件選用低溫度系數(shù)的器件。 2 驅(qū)動器電路設計 驅(qū)動電路如圖4所示。外接電阻Rt和電容Ct 、內(nèi)部定時比較器、復零晶體管、R-S觸發(fā)器等構成單穩(wěn)定時電路。當輸入端Vi+輸入的電壓大于Vi-輸入端的電壓時，f0輸出邏輯低電平。同時，電流源IR對電容CL充電。電源Vcc也通過電阻Rt對電容Ct充電。當電容Ct兩端的充電電壓大于Vcc的2/3時，輸出端，f0輸出邏輯高電平。f0信號輸出至PMM8713 芯片的時鐘端，該頻率經(jīng)PMM8713處理后，在A、B、C腳輸出一定頻率的驅(qū)動信號來控制功率三極管的導通時間，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)速。 方向控制電路由LM348四電路通用運算放大器構成。外部方向控制信號通過LM348和基準電壓構成電壓比較電路。當Vdi大于基準電壓VH時，U3A輸出為正，接至PMM8713的第4腳，控制輸出端輸出正相脈沖序列。當Vdi小于基準電壓VH時，輸出端為負，接至PMM8713的第4腳，控制輸出端輸出負相脈沖序列，相應相驅(qū)動輸出端輸出正反向脈沖序列，從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)。 由LM331給出的輸入指令是輸入時鐘f0和方向指令DIR，這2個指令在PMM8713中經(jīng)邏輯組合轉(zhuǎn)換各相通斷的時序邏輯信號。PMM8713的相驅(qū)動輸出端（PIN10～PIN13）的驅(qū)動電流達20 mA以上，能直接驅(qū)動微型步進電機。R1、C1為開機時自動初始化電路。初上電的數(shù)十毫秒內(nèi)R端為低電平，從而A～D端自動復位至初始狀態(tài)。如果外接的步進電機功率較大，PMM8713輸出驅(qū)動端驅(qū)動能力不夠，此時應設計功率放大驅(qū)動電路，然后再驅(qū)動步進電機。PMM8713各相輸出端的導通順序邏輯信號送至功率驅(qū)動段轉(zhuǎn)換成內(nèi)部功率開關的基極（或柵極）驅(qū)動信號。步進電機驅(qū)動方式按相繞組流過的電流是單向或雙向可分為單極性和雙極性驅(qū)動，通常，三相步進電饑采用單極性驅(qū)動。從功率驅(qū)動級電路來分析，又有電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動之分。本設計中采用串聯(lián)電阻電壓驅(qū)動方式。在相繞組中串接一定阻值和功率的電阻，一方面減小了繞組回路的時間常數(shù)，同時又對低頻和靜止工作時的電流進行限制。 利用上述原理設計了一個自動閘閥控制器，閘閥的上下位置采用限位開關控制，利用相應的電路使限位開關的動作改變圖5所示LM348比較電壓輸入端電壓的大小，從而控制步進電機運轉(zhuǎn)還是停轉(zhuǎn)。其工作原理；LM348的同相輸入端為基準電壓端，其反向輸入端為比較電壓輸入端，當比較電壓輸入端的電壓小于基準電壓時，LM348的1引腳上輸出高電平，使BD237導通，從而使步進電機能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；當比較電壓輸入端的電壓高于基準電壓時，在LM348的1引腳上輸出低電平，BD237截止，步進電機停轉(zhuǎn)。 3 結(jié)語 本設計為步進電機驅(qū)動器的主體設計部分，結(jié)構簡單、成本低、性能穩(wěn)定。采用該系統(tǒng)設計的三相反應式步進電機驅(qū)動器驅(qū)動55BF004型三相反應式步進電機。已成功地應用于自動閘閥控制系統(tǒng)中，運行效果良好。