恒力矩步进电机驱动器分析设计
导语：海顿直线电机步进驱动恒力矩
摘要：L297单片步进电机控制集成电路适用于双极性两相步进电机或四相单极性步进电机的控制，与两片H桥式驱动芯片L298组合，组成完整的步进电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器。该驱动器可实现全步、半步控制斩波驱动、恒力矩、使用简便易于调试、高可靠性等优点。
关键词：步进驱动；恒力矩；L297；L298；555震荡器
0 引言
得益于电子技术突飞猛进的发展，单片机、驱动芯片很多，国内许多厂家制作的步进电机驱动器性能很好，但是客户对驱动器基本要求是一样的：性价比高、控制简单、安全可靠等。笔者设计了一种基于L298+L297的恒流斩波两相步进驱动器,该驱动器本身带有脉冲信号源方便用户进行一些简单控制，设置和使用。在整、半步控制时，能维持恒力矩输出，比市场上同类产品性能更优越。而且驱动器斩波电流较大，恒转矩输出，工作可靠，内建有脉冲信号源方便用户进行一些简单控制，设置和使用非常方便。
1 L297功能分析
L297芯片采用模拟／数字电路兼容的I2L工艺，20脚DIP封装，通常以5V供电，全部信号TTL／CMOS兼容，是非常适用于两相步进电机控制的专用芯片。L297的内部逻辑框图如图1，其核心电路是变换器。
由变换器产生4个输出信号送给后面的输出逻辑部分，输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。为了获得电机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过2个PWM斩波器控制，斩波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻如图2，晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲,振荡器输出的振荡脉冲频率f由OSC的外接RC决定频率=1/0.69RC。每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节，当负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高，当电压达到Vref时(Vref是根据峰值负载电流而定的)，将触发器重置，切断输出，直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出(即触发器Q输出)是一恒定速率的PWM信号，L297的CONTROL端的输入决定斩波器对相位线A，B，C，D或抑制线INH1和INH2起作用。CONTROL为高电平时，对A，B，C，D有抑制作用；为低电平时，则对抑制线INH1和INH2有抑制作用，从而可对电机转矩进行控制。
2 L298功能分析
L298芯片是一种高电压、大电流双H桥功率集成电路，可用来驱动继电器、线圈、直流电机和步进电机等感性负载。它具有两个抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三极管的射级是连接在一起的，相应的外接线端可用来连接外设反馈电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。L298的内部逻辑框图如图3。
图3 L298的内部逻辑框图
L298的逻辑真值表如图4，当EnA为低电平时，IN1、IN2输入电平被抑制，桥路断开，电机停止。当EnA为高电平，IN1、IN2输入电平为一高一低，电机正或反转；IN1、IN2同为低电平或高电平,桥路断开，电机停止。
3 步进电机的驱动特性
两相步进电机的线圈绕组分为+A/-A相和+B/-B相，忽略电磁转矩与电流之间的非线性因素，要使电机平稳匀速、恒力矩转动，关键是控制电机绕组中的电流,如图5所示。
在基本步单相激励驱动方式下，相绕组电流将按 I+A→I+B→I-A→I-B 4拍进行循环；在基本步两相激励驱动方式下，相绕组电流将按I+A 、I+B→I+B、I-A→I-A、I-B→I-B 、I+A 4拍进行循环，即整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份；在半步单、两相交替激励驱动方式下，相绕组电流将按，I+A→I+A 、I+B→I+B→I+B、I-A→I-A→I-A、I-B→I-B→I-B 、I+A 8拍进行循环，即半步驱动方式的电流矢量则可以把一个圆分割成8份。两相激励方式下产生的步进电流将是各相的合成电流矢量，分别为，I1、I2、I3、I4，其幅值是单相电流值的
倍。因此，在半步单、两相激励驱动方式下，为了保持力矩恒定，在电流由双相转换为单相时，如I-B 、I+A→I+A，则+A-A相绕组的电流必须提高到双相电流I+A的
倍，半步恒力矩运行电流随时间的变化如图6。
同样，当基本步两相激励驱动方式改变为基本步单相激励驱动方式时，要维持输出力矩的恒定，相电流也必须为双相电流的
倍。由于半步单、两相激励方式步进分辨率提高了一倍、且电机运转会更为平稳，而基本步两相激励方式的相线圈利用率高，能产生较大的力矩，同时会产生电磁阻尼，削弱或消除振荡现象，这两种控制方式较常被采用。
由于绕组电感的影响，绕组中的电流将按
规律上升。所以为了获得好的高频性能，使绕组中的电流上升波形变陡，可以用高电压驱动的方法来缩短电流上升到参考电流I的时间,能获得较好的牵出力矩并改善电机的启动性能.
4 电路解决方案
本设计的步进电机控制驱动电路包括电源电路、控制驱动电路、过流检测电路组成。
电源电路，如图7所示。内部5V电源取自LM117，LM117内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路，允许的电源电压+24到+40V，LM117前端接的C1、C2、C3用以抵消输入端的电感效应，防止产生自激效应。C5是为了瞬时增减负载电流时不至于引起输出电压有较大的波动。LED是电源指示灯。
图7 电源电路
控制驱动电路及过流检测电路，如图8所示。
对于两相恒流载波步进驱动器的基本功能就是电机的方向，速度可通过上位机发送的脉冲信号控制，并为设备安全运行考虑，应具有急停(使能)功能。L297的CLOCK接收可以来自上位机，每个CLOCK的上升沿使内部的变换器改变状态，产生控制时序并从a、b、c、d引脚输出。L297还具内部同步斩波输出功能，以便于多个驱动器同步；内部半步/整步控制等。对于单一的设备，这样的驱动器或许已经够用，而当面对各种客户，不同的设备，需要的电机也不一样，自然电流大小也是不一样的，那么在设计驱动器时，还需要从这个经济性角度考虑，驱动器应具备调整电流大小的功能。如图9，下滑滑动变阻器R7，NPN管的集电极电位变小，那么开关作用的NPN管完全开启时，发射极的电位约等于集电极电位，即L297上的Vref变小，L298反馈电阻上的最高电位也即Vref。此时从公式Vref=I*r(反馈电阻)，可以看出绕组内的I也将变小，反之变大。本电路中的反馈电阻为R10、R11，值为1.0Ω/4W。所以电机电流I（A）=Vref/1.0Ω。只需万用表测量JT2的1，2两端的电压值就可得到相应的电流I。
虽然L297+L298驱动器都具有内部半步/整步控制，但是若不改进控制电路，其输出的峰值电流不变的，这样会致使双相整步时的输出力矩是单相整步时的
倍，同样在半步状态也会有这样问题。那么力矩输出的不平稳会使驱动器的应用范围，可靠性大打折扣。
所以笔者为了保证步进电机恒力矩换相，如图9，
将L297输出时序信号a、b，c、d信号经或门7432相或后再经与非门7400相与后，置R16低电平或高电平，从而改变NPN管的基极电位，控制其输入到L297的Vref电压大小。当L297输出单相激励信号或者半步单相激励信号使相绕组单相工作时，将提升Vref电压达
倍。考虑到转矩电流特性的非线性，选取的元件参数使相应增大约1.4倍即可。另一方面，为了延长步进脉冲到来初始时刻的相绕组电流上升时间，需提高Vref电平。笔者将clock反相后输入74123单稳态触发器A，在L297的变换器改变状态的同时，74123在其Q端输出时间常数为0.45*R18*C9的高电平，从而通过R19去控制NPN管，使L297在该时间内的Vref升高。
在实际应用中，设备需要调试、诊断等情况，驱动器内部拥有555震荡器如图8，通过调整滑动变阻器R15，可改变震荡器Q输出脉冲频率，频率变化范围为10HZ到2000HZ，通过L297的clock控制L298桥路的切换速度，提高了电机的步进速度。如果要设置单步，只需要点动开关SW-2即可实现。L297的CW/CCW方向也可通过SW-4开关的高低电平来控制。当需要外部脉冲时，只需开关SW-6断开内部脉冲。
5 测试研究
将SIZE17两相混合步进电机接上驱动器，驱动器供电电压24VDC，分别设置驱动器工作于整步两相激励方式如图10，整步单相激励方式如图11，半步单、两相激励方式如图12。用示波器、电流钳测得的某相绕组电流波形：
从单相激励和半步激励看，单相状态的峰值电流高于两相状态的峰值，实际测试约为1.3-1.5倍，达到了设计要求。
6 结束语
该步进电机驱动器，适合于驱动电压不超过40V,电流不超过2.0A的两相、四相双极性步进电机，基本涵盖了SIZE23以下的主流混合步进电机。广泛用于医疗器械、分析仪器，基于主要芯片L297，L298技术成熟，价格便宜，该款驱动器性价比高，市场销量大，反馈良好。
参考文献：
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