基于LV8731V的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

彭宇林，覃貴禮，安　軻，梁維剛

(1. 廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530226；2. 廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0　引　言

步進(jìn)電機(jī)是一種由脈沖信號(hào)控制產(chǎn)生角位移、無(wú)位置累積誤差的開(kāi)環(huán)可控元件。在允許載荷情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、角位移由脈沖信號(hào)頻率和脈沖數(shù)決定。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步距角與控制信號(hào)脈沖數(shù)存在線性關(guān)系，故其速度、轉(zhuǎn)角度均能精準(zhǔn)控制，因此步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

本文根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理及應(yīng)用，介紹一種基于LV8731V芯片的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)電路圖。本設(shè)計(jì)不僅適用于高校機(jī)電類或電氣自動(dòng)化類專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)與實(shí)踐，也適用于實(shí)際生產(chǎn)生活中的機(jī)電一體化設(shè)備。

1　細(xì)分驅(qū)動(dòng)器方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用電機(jī)控制芯片LV8731V設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器主電路，高速光耦TLP112A實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)隔離，撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置細(xì)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(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案如圖1所示的虛線框部分。

2　細(xì)分驅(qū)動(dòng)器主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1　驅(qū)動(dòng)器主電路

圖1　細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案

LV8731V是三洋公司的雙通道H橋驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)置PWMV電流控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其包含2種驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通電阻(0.55 Ω)，具有內(nèi)置輸出短路保護(hù)及異常狀態(tài)警告輸出功能；可設(shè)置4檔通電電流模式， 4種細(xì)分模式。LV7831V內(nèi)部電路原理框圖[1]如圖2所示，其主要信號(hào)引腳及功能[1]如表1所示。

圖2　LV7831V內(nèi)部電路原理框圖

表1　LV8731V主要信號(hào)引腳及功能

本設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器設(shè)置為正常工作狀態(tài)的STM驅(qū)動(dòng)模式，且輸出有效；通過(guò)MD1/DC11(引腳17)和MD2/DC12(引腳16)設(shè)置驅(qū)動(dòng)器細(xì)分模式， ATT1(引腳7)和ATT2(引腳6)設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的輸出電流；外部控制器與細(xì)分驅(qū)動(dòng)器之間連接3個(gè)控制信號(hào)即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，控制信號(hào)分別為STEP/DC22(引腳14，即控制脈沖信號(hào))、FR/DC21(引腳15，即方向控制信號(hào))和ST(引腳20，即 “待機(jī)/工作”狀態(tài)設(shè)置信號(hào))。

圖3　驅(qū)動(dòng)器主電路原理圖

2.2　控制信號(hào)隔離電路

為防止電機(jī)工作時(shí)干擾或損壞外部控制器接口，通常將控制器與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行光電隔離，且控制器和驅(qū)動(dòng)器均采用單獨(dú)電源供電。本設(shè)計(jì)的控制信號(hào)隔離電路如圖4所示，采用3個(gè)高速光耦TLP112A分別隔離3個(gè)控制信號(hào)STEP/DC22(引腳14)、FR/DC21(引腳15)和ST(引腳20)，即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和角度、方向控制信號(hào)及使能信號(hào)。本設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器公共地，AGND與DGND不相連。經(jīng)隔離后，驅(qū)動(dòng)器控制接口CLK、DIR和EN經(jīng)光耦反向后分別與STEP、FR和ST相連。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需控制信號(hào)STEP、FR和ST設(shè)置[1]如表2所示。

表2　STEP、FR和ST設(shè)置

圖4　控制信號(hào)隔離電路

2.3　細(xì)分模式、輸出電流設(shè)置電路

本設(shè)計(jì)采用撥碼開(kāi)關(guān)和上拉電阻設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的勵(lì)磁模式和細(xì)分模式，及其輸出電流，如圖5所示。通過(guò)MD1/DC11(引腳17)和MD2/DC12(引腳16)設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的勵(lì)磁模式和細(xì)分模式[1，2]，如表3所示。

根據(jù)ATT1(引腳7)與ATT2(引腳6)的4種不同輸入狀態(tài)，設(shè)置基準(zhǔn)電壓VREF的衰減比以設(shè)置驅(qū)動(dòng)器輸出電流。ATT1、ATT2狀態(tài)與基準(zhǔn)電壓UREF衰減比關(guān)系[1-2]如表4所示。輸出電流(Iout)由基準(zhǔn)電壓值UREF、電阻RF和基準(zhǔn)電壓衰減比決定。根據(jù)如下公式[1]，可算出驅(qū)動(dòng)器輸出電流。本設(shè)計(jì)R12和R13阻值均選用0.3 Ω。

Iout=(基準(zhǔn)電壓值UREF/5)×(基準(zhǔn)電壓衰減比)/RF

圖5　細(xì)分模式和輸出電流設(shè)置電路

表3　勵(lì)磁模式、細(xì)分模式

表4　ATT1、ATT2狀態(tài)與基準(zhǔn)電壓衰減比關(guān)系

3　驅(qū)動(dòng)器測(cè)試與應(yīng)用

本設(shè)計(jì)采用Arduino UNO單片機(jī)和三菱FX3G系列PLC對(duì)57兩相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方案如圖1所示。若控制器I/O口為5 V電平時(shí)，接口保護(hù)電阻R直接短路連接即可；若I/O口電平為12 V或24 V時(shí)，電阻R分別接1 kΩ或2.2 kΩ。當(dāng)EN 輸入低電平或懸空時(shí)，ST為高電平，則電機(jī)正常工作；反之，脫機(jī)。在電機(jī)正常工作情況下，當(dāng)DIR輸入低電平或懸空時(shí)，F(xiàn)R為低電平，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，反轉(zhuǎn)。測(cè)試過(guò)程中，將驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為不同細(xì)分模式及不同輸出電流模式，控制器輸出脈沖信號(hào)頻率在10 kHz內(nèi)可調(diào)，步進(jìn)電機(jī)正常穩(wěn)定工作，轉(zhuǎn)速可控，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本設(shè)計(jì)已用于自主研制的多功能三維運(yùn)動(dòng)教學(xué)演示裝置，并能精確控制演示裝置的X、Y、Z三個(gè)軸，取得較好效果；此外，學(xué)生還用于參加學(xué)科競(jìng)賽的作品設(shè)計(jì)，并取得較好成績(jī)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于LV8731V的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的解決方案，完成了驅(qū)動(dòng)器的電路圖設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本設(shè)計(jì)已應(yīng)用于教學(xué)和實(shí)踐，效果良好，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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