基于LV8731V的步進電機細分驅動器設計

彭宇林，覃貴禮，安　軻，梁維剛

(1. 廣西職業技術學院，廣西 南寧 530226；2. 廣西師范大學 物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

0　引　言

步進電機是一種由脈沖信號控制產生角位移、無位置累積誤差的開環可控元件。在允許載荷情況下，步進電機的轉速、角位移由脈沖信號頻率和脈沖數決定。由于步進電機轉動的步距角與控制信號脈沖數存在線性關系，故其速度、轉角度均能精準控制，因此步進電機在數控系統、工業過程控制等領域廣泛應用。

本文根據步進電機的工作原理及應用，介紹一種基于LV8731V芯片的步進電機細分驅動器的設計方案及其實現電路圖。本設計不僅適用于高校機電類或電氣自動化類專業相關課程的教學與實踐，也適用于實際生產生活中的機電一體化設備。

1　細分驅動器方案設計

本設計采用電機控制芯片LV8731V設計驅動器主電路，高速光耦TLP112A實現控制信號隔離，撥碼開關設置細分模式及輸出電流，芯片LM78M05和AMS1117-1.5提供5 V和1.5 V工作電壓。細分驅動器的設計方案如圖1所示的虛線框部分。

2　細分驅動器主要硬件電路設計

2.1　驅動器主電路

圖1　細分驅動器設計方案

LV8731V是三洋公司的雙通道H橋驅動芯片，內置PWMV電流控制步進電機驅動芯片，其包含2種驅動模式，分別為DCM模式和STM模式。LV8731V額定工作電壓為9～32 V，輸出峰值電流為2.5 A；超低導通電阻(0.55 Ω)，具有內置輸出短路保護及異常狀態警告輸出功能；可設置4檔通電電流模式， 4種細分模式。LV7831V內部電路原理框圖[1]如圖2所示，其主要信號引腳及功能[1]如表1所示。

圖2　LV7831V內部電路原理框圖

表1　LV8731V主要信號引腳及功能

本設計的主電路原理圖如圖3所示，DM(引腳18)、RST/BLK(引腳13)和OE(引腳19)均接地，將驅動器設置為正常工作狀態的STM驅動模式，且輸出有效；通過MD1/DC11(引腳17)和MD2/DC12(引腳16)設置驅動器細分模式， ATT1(引腳7)和ATT2(引腳6)設置驅動器的輸出電流；外部控制器與細分驅動器之間連接3個控制信號即可驅動步進電機，控制信號分別為STEP/DC22(引腳14，即控制脈沖信號)、FR/DC21(引腳15，即方向控制信號)和ST(引腳20，即 “待機/工作”狀態設置信號)。

圖3　驅動器主電路原理圖

2.2　控制信號隔離電路

為防止電機工作時干擾或損壞外部控制器接口，通常將控制器與驅動器進行光電隔離，且控制器和驅動器均采用單獨電源供電。本設計的控制信號隔離電路如圖4所示，采用3個高速光耦TLP112A分別隔離3個控制信號STEP/DC22(引腳14)、FR/DC21(引腳15)和ST(引腳20)，即步進電機轉速和角度、方向控制信號及使能信號。本設計的光耦TLP112A采用共陰輸入及反向輸出接法，DGND為外部控制器公共地，AGND為驅動器公共地，AGND與DGND不相連。經隔離后，驅動器控制接口CLK、DIR和EN經光耦反向后分別與STEP、FR和ST相連。步進電機運行所需控制信號STEP、FR和ST設置[1]如表2所示。

表2　STEP、FR和ST設置

圖4　控制信號隔離電路

2.3　細分模式、輸出電流設置電路

本設計采用撥碼開關和上拉電阻設置驅動器的勵磁模式和細分模式，及其輸出電流，如圖5所示。通過MD1/DC11(引腳17)和MD2/DC12(引腳16)設置驅動器的勵磁模式和細分模式[1，2]，如表3所示。

根據ATT1(引腳7)與ATT2(引腳6)的4種不同輸入狀態，設置基準電壓VREF的衰減比以設置驅動器輸出電流。ATT1、ATT2狀態與基準電壓UREF衰減比關系[1-2]如表4所示。輸出電流(Iout)由基準電壓值UREF、電阻RF和基準電壓衰減比決定。根據如下公式[1]，可算出驅動器輸出電流。本設計R12和R13阻值均選用0.3 Ω。

Iout=(基準電壓值UREF/5)×(基準電壓衰減比)/RF

圖5　細分模式和輸出電流設置電路

表3　勵磁模式、細分模式

表4　ATT1、ATT2狀態與基準電壓衰減比關系

3　驅動器測試與應用

本設計采用Arduino UNO單片機和三菱FX3G系列PLC對57兩相步進電機進行測試，測試方案如圖1所示。若控制器I/O口為5 V電平時，接口保護電阻R直接短路連接即可；若I/O口電平為12 V或24 V時，電阻R分別接1 kΩ或2.2 kΩ。當EN 輸入低電平或懸空時，ST為高電平，則電機正常工作；反之，脫機。在電機正常工作情況下，當DIR輸入低電平或懸空時，FR為低電平，則電機正轉；反之，反轉。測試過程中，將驅動器設置為不同細分模式及不同輸出電流模式，控制器輸出脈沖信號頻率在10 kHz內可調，步進電機正常穩定工作，轉速可控，達到預期設計目標。

本設計已用于自主研制的多功能三維運動教學演示裝置，并能精確控制演示裝置的X、Y、Z三個軸，取得較好效果；此外，學生還用于參加學科競賽的作品設計，并取得較好成績。

4　結束語

本文提出基于LV8731V的步進電機細分驅動器的解決方案，完成了驅動器的電路圖設計，并通過實驗測試。本設計已應用于教學和實踐，效果良好，達到預期設計要求。

參考文獻：

[1]SANYO.LV8731V—PWM Constant-Current Control Stepping Motor Driver[EB/OL]. https://wenku.baidu.com/view/6c98a5ed4afe04a1b071ded3.html，2009-05-12.

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