步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，是較早使用的典型機(jī)電一體化元件組件 例如，在機(jī)械裝置中可以用絲杠把角度變成直線位移，也可以用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋電位器，調(diào)節(jié)電壓或電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。 步進(jìn)電機(jī)可以直接接收數(shù)字信號(hào)，不必進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，使用起來(lái)非常方便，在閥門控制、數(shù)控機(jī)床、繪圖儀、打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)不可分割的兩大部分。本文介紹一種實(shí)用的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 1 應(yīng)用器件簡(jiǎn)介 1.1 PMM8713芯片 PMM8713是由日本Sanyo（三洋）電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)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(lì)磁有1相、2相和1-2相3種方式，通過電路設(shè)計(jì)可任選其中的一種激勵(lì)方式。此外，PMM8713還具有單時(shí)鐘或雙時(shí)鐘工作方式，帶有正反轉(zhuǎn)控制功能以及初始化復(fù)位功能，其內(nèi)部有時(shí)鐘選通、激勵(lì)方式控制、可逆環(huán)形計(jì)數(shù)、激勵(lì)方式判斷等電路。 因?yàn)镻MM8713所有輸入端均采用施密特整形電路，因此抗干擾能力強(qiáng)。輸出電流大于20 mA，可直接驅(qū)動(dòng)微型步進(jìn)電機(jī)。邏輯框圖如圖1所示。 1.2 LM331芯片 LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)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(zhǎng)時(shí)間積分器以及其它相關(guān)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(shí)比較電路、R-S觸發(fā)電路、復(fù)零晶體管、輸出驅(qū)動(dòng)管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)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(yīng)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(dá)40 V。 1.3 電壓-頻率變換 LM331外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可以方便地構(gòu)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(gòu)如圖3所示。 外接阻容Rt、Ct和內(nèi)部電路構(gòu)成單穩(wěn)定時(shí)電路。當(dāng)輸入端Vi+輸入正電壓 時(shí)，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(dòng)管導(dǎo)通，從而第3腳f0輸出邏輯低電平。同時(shí)，電流源IR對(duì)電容CL充電。由于復(fù)零晶體管的基極接在R-S觸發(fā)器的反相輸出端，因此，復(fù)零晶體管截止，電源Vcc通過電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)Uct大于2/3 Vcc時(shí)，定時(shí)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(fù)位端，使R-S觸發(fā)器復(fù)位。R-S觸發(fā)器正相輸出端輸出低電平使輸出驅(qū)動(dòng)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(shí)，R-S觸發(fā)器反相輸出端輸出高電平使復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容Ct通過復(fù)零晶體管對(duì)地放電。 電流開關(guān)打向左邊，電容CL通過電阻RL對(duì)地放電。當(dāng)電容CL放電電壓等于輸入比較器的正輸入端電壓Vi時(shí)，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(dòng)管導(dǎo)通，f0輸出邏輯低電平。如此反復(fù)循環(huán)，從而在f0端輸出一定頻率的脈沖信號(hào)。根據(jù)電容上電荷平衡原理和相關(guān)電學(xué)知識(shí)，設(shè)電容的充電時(shí)間為t1，放電時(shí)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?yàn)閁L在大約10 mV的范圍內(nèi)波動(dòng)，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(shí)現(xiàn)了輸入電壓和輸出頻率的變換。t1由外接的定時(shí)元件Rt和Ct決定，其關(guān)系為t1=1.1RtCt，這樣可以依據(jù)設(shè)計(jì)電路的要求相應(yīng)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(dāng)6腳和7腳的RC時(shí)間常數(shù)匹配時(shí)，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(dòng)器電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。外接電阻Rt和電容Ct 、內(nèi)部定時(shí)比較器、復(fù)零晶體管、R-S觸發(fā)器等構(gòu)成單穩(wěn)定時(shí)電路。當(dāng)輸入端Vi+輸入的電壓大于Vi-輸入端的電壓時(shí)，f0輸出邏輯低電平。同時(shí)，電流源IR對(duì)電容CL充電。電源Vcc也通過電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)電容Ct兩端的充電電壓大于Vcc的2/3時(shí)，輸出端，f0輸出邏輯高電平。f0信號(hào)輸出至PMM8713 芯片的時(shí)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(dòng)信號(hào)來(lái)控制功率三極管的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 方向控制電路由LM348四電路通用運(yùn)算放大器構(gòu)成。外部方向控制信號(hào)通過LM348和基準(zhǔn)電壓構(gòu)成電壓比較電路。當(dāng)Vdi大于基準(zhǔn)電壓VH時(shí)，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(dāng)Vdi小于基準(zhǔn)電壓VH時(shí)，輸出端為負(fù)，接至PMM8713的第4腳，控制輸出端輸出負(fù)相脈沖序列，相應(yīng)相驅(qū)動(dòng)輸出端輸出正反向脈沖序列，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 由LM331給出的輸入指令是輸入時(shí)鐘f0和方向指令DIR，這2個(gè)指令在PMM8713中經(jīng)邏輯組合轉(zhuǎn)換各相通斷的時(shí)序邏輯信號(hào)。PMM8713的相驅(qū)動(dòng)輸出端（PIN10～PIN13）的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)20 mA以上，能直接驅(qū)動(dòng)微型步進(jìn)電機(jī)。R1、C1為開機(jī)時(shí)自動(dòng)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(dòng)復(fù)位至初始狀態(tài)。如果外接的步進(jìn)電機(jī)功率較大，PMM8713輸出驅(qū)動(dòng)端驅(qū)動(dòng)能力不夠，此時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)功率放大驅(qū)動(dòng)電路，然后再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。PMM8713各相輸出端的導(dǎo)通順序邏輯信號(hào)送至功率驅(qū)動(dòng)段轉(zhuǎn)換成內(nèi)部功率開關(guān)的基極（或柵極）驅(qū)動(dòng)信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)，通常，三相步進(jìn)電饑采用單極性驅(qū)動(dòng)。從功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電路來(lái)分析，又有電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)之分。本設(shè)計(jì)中采用串聯(lián)電阻電壓驅(qū)動(dòng)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(shí)間常數(shù)，同時(shí)又對(duì)低頻和靜止工作時(shí)的電流進(jìn)行限制。 利用上述原理設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)閘閥控制器，閘閥的上下位置采用限位開關(guān)控制，利用相應(yīng)的電路使限位開關(guān)的動(dòng)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(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)還是停轉(zhuǎn)。其工作原理；LM348的同相輸入端為基準(zhǔn)電壓端，其反向輸入端為比較電壓輸入端，當(dāng)比較電壓輸入端的電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，LM348的1引腳上輸出高電平，使BD237導(dǎo)通，從而使步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；當(dāng)比較電壓輸入端的電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，在LM348的1引腳上輸出低電平，BD237截止，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。 3 結(jié)語(yǔ) 本設(shè)計(jì)為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主體設(shè)計(jì)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定。采用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)55BF004型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。已成功地應(yīng)用于自動(dòng)閘閥控制系統(tǒng)中，運(yùn)行效果良好。