某掃描器步進電機驅動電路設計

改造者：張大威 毛 林

某掃描器步進電機驅動電路設計

改造者：張大威 毛 林

本文以某型掃描器為步進電機的典型應用對象，在分析了步進電機驅動原理的基礎上對步進電機的驅動電路進行了研究，完成了基于專用集成步進電機驅動芯片DRV8811的步進電機驅動電路設計。并對此步進電路的驅動電路進行了調試測試，測試結果表明該驅動電路工作可靠，滿足設計需求。最后，對本文的研究工作和所取得的研究成果進行了總結，并結合實際開發中的體會，提出了進一步的展望。

步進電機概述

步進電機利用電子電路將直流電變換為步進電機工作所需的脈沖電流，通過多相時序控制輸出電流為步進電機定子繞組供電。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（步距角），步進電機的旋轉是按照固定的角度一步一步的運行。

步進電機驅動總體設計

步進電機驅動電路需求分析

本課題的主要設計需要如下：

設計兩相步進電機驅動電路，采用恒流驅動方式，相驅動電流0.4～3A，可調節；

輸入信號采用脈沖加方向控制模式；

輸入頻率100～1000Hz。

主要技術參數如下：

所選元器件滿足-45℃～60℃的環境要求，系統能夠滿足運輸機及直升機的環境技術要求。

步進電機驅動電路的總體方案設計

結合現有條件及技術儲備，深入研究課題的需求，經綜合比較和篩選后本方案的設計將以簡單實用、穩定可靠為設計準則。本文利用步進電機驅動集成芯片DRV8811完成步進電機驅動電路的設計。

專用集成驅動芯片DRV8811步進電機驅動電路設計

專用步進電機集成驅動模塊DRV8811

由需求分析可知，設計兩相步進電機驅動電路，采用恒流驅動方式，相驅動電流0.4～3A，且可調節。目前常用的專用集成步進電機驅動芯片TA8435由于其峰值電流只能達到2.5A，故不能滿足相應的設計需求。在本文中，采用了德州儀器（TI）的高性能專用集成步進電機驅動芯片DRV8811設計步進電機的驅動電路。該芯片可以十分方便的為掃描器、打印機及其他一些自動化設備的運動執行單元—步進電機提供集成驅動方案，并且設計電路及其簡單易行。

DRV8811步進電機專用集成驅動芯片，內部集成了兩路H橋驅動電路，適用于兩相步進電機的驅動，支持8V～38V輸入電壓，最寬溫度范圍為-60°～150°，輸出電流峰值可達6A，完全滿足設計的需求。

DRV8811步進電路驅動電路設計

在詳細設計驅動電路之前，需要首先了解DRV8811的內部結構圖，在此基礎上才能完善設計。

電流檢測—恒流斬波參數選擇設計

DRV8811的內部恒流斬波PWM模塊中，采樣電阻的輸入經過了一個8倍的放大器。故參與比較的電壓為采樣電壓的8倍。設步進電機定子繞組上的電流為ICHOP， ISENA和ISENB引腳外接的電阻阻值均為RISEN。第8引腳VREF外接電壓為VREF，則當斬波電路實現恒流輸出時，應用如下關系式：

RCA和RCB兩個引腳外接的電阻和電容決定了恒流斬波電路的PWM的脈沖周期，設該引腳外接的并聯的電阻值為R ，電容值為C ，則PWM恒流斬波的周期為

因此可以通過合理設置電阻R ，電容C的值來設置PWM恒流斬波的周期。

細分電路設計

DRV8811集成步進電機驅動芯片可以十分方便的用來配置步進電機的細分方式。與細分方式相關的引腳為USM0，USM1——12，13。本設計中采用撥碼開關硬件配置細分方式。

方向控制設計

DRV8811有一個步進電機運行方向控制引腳DIR—3，該引腳電平狀態不一樣時對應的步進電機的旋轉方向相反。根據需求分析可知，在設計時步進電機的運行方向可調，故本設計使用了一個切換開關來對步進電機的旋轉方向進行切換。初始默認狀態為順時針旋轉。同時增加了方向指示燈。

步進電機啟停切換及狀態顯示電路設計

DRV8811有一個步進電機啟停控制引腳RESETn—17，該引腳為低電平時，復位DRV8811，步進電機停止旋轉；該引腳為高電平時，啟動DRV8811，步進電機開始旋轉。在電機運行時，用LED狀態燈顯示其運行狀態。

脈沖信號輸入電路

DRV8811有一個步進電機電脈沖輸入引腳Step—19，該引腳接控制器的脈沖輸出。本設計中，需要調節主控制器的輸出脈沖頻率從100Hz～1000Hz可調，因此設計了4個輸入按鈕，分別用于輸入脈沖頻率的個位、十位、百位和千位。控制器的檢測信號為s1—s4，按鈕沒有動作時，輸入信號通過上來電阻被拉到高電平，當按鈕有動作時，檢測到輸入變為低電平，從而對應相應的動作。每次按鈕動作，對應的位加1，程序設計最高顯示至1000。

DRV8811主電路設計

步進電機驅動器芯片DRV8811的電路設計中RCA和RCB的外接并聯電阻和電容值的乘積為恒流斬波電路的PWM輸出脈沖頻率。可調電阻R即用來設定步進電機定子繞組上的電流，從而達到了設計需求中的電流可調的要求，另一個作用是作為電流檢測電路的采樣電阻，用來實現步進電機定子繞組的恒流。

驅動總電路設計

結合以上分析，控制采用AT89S52。

總結與展望

總結

本文所做的主要研究工作和取得的成果總結如下：

（1）在闡述了步進電機的概況基礎上，結合課題的需求，提出了開發某型掃描器的步進電機的驅動電路的項目設計目標；

（2）根據需求分析，完成了采用專用集成步進電機驅動芯片來完成步進電機驅動電路的設計，采用專用集成步進電機驅動芯片設計步進電機驅動電路更簡單易行。

展望

盡管本文成功開發了某型掃描器步進電機的驅動電路設計，但是由于時間限制和經驗有限，仍有需要進一步完善的方向，列舉如下：

（1）設計的某型掃描器步進電機驅動電路的電流較小，只能應用于小功率的步進電機場合，如何完善系統系統可驅動中、大功率的步進電機系統；

（2）設計的某型掃描器步進電機驅動電路的輸出脈沖頻率為100Hz～1000Hz，如果需要提高此頻率，需要改進哪些關鍵。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.036