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CN113179057A - 一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器 - Google Patents

一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器 Download PDF

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CN113179057A
CN113179057A CN202110466048.1A CN202110466048A CN113179057A CN 113179057 A CN113179057 A CN 113179057A CN 202110466048 A CN202110466048 A CN 202110466048A CN 113179057 A CN113179057 A CN 113179057A
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戴佶龙
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Step Automation Engineering Shanghai Co ltd
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Step Automation Engineering Shanghai Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，包括：双极性脉宽调制电路，用于输出A相电流和B相电流；电源，其输出端与双极性脉宽调制电路的输入端连接；开关，电源的输出端与单极性步进电机的公共抽头通过开关连接；当开关断开时，双极性脉宽调制电路驱动双极性步进电机工作；当开关接通时，双极性脉宽调制电路驱动单极性步进电机工作。通过开关断开，使步进电机驱动器的双极性脉宽调制电路输出双相电流，能够直接驱动双极性步进电机；通过开关闭合，接入单极性步进电机的公共抽头，再改变双极性脉宽调制电路输出电流，以驱动单极性步进电机，即实现了一个驱动器兼容驱动单极性和双极性步进电机的功能。

Description

一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器。
背景技术
步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。
单极性电机的出线有一根公共线，而该公共线由一个功率管控制，还有四根相线由四个功率管控制，通过PWM(脉宽调制)技术斩波进行控制。而双极性电机无公共抽头，每相绕组均由四个功率管构成H桥进行PWM技术斩波控制。
目前市场中常见的单一功能的单极性步进电机驱动器，或单一功能的双极性步进电机驱动器，由于电机自身的结构和控制特点，一般单极性步进驱动器是无法驱动双极性步进电机，而双极性步进电机也无法驱动单极性电机。但是日益发展的市场需求，如步进电机厂需要一款驱动器既能测试单极性步进电机，也能驱动双极性步进电机，还有一些客户的应用中，对于单极性步进和双极型步进电机都有应用，采用一款驱动器解决两种方案，对于用户使用上，既方便又可以降低库存。因此本发明，具有实际的应用意义和商用价值。因此，如何通过一款驱动器兼容多种驱动方案以适应不同极性的步进电机，成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，以解决现有技术中如何通过一款驱动器兼容多种驱动方案以适应不同极性的步进电机。
本发明实施例提供了一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，包括：
双极性脉宽调制电路，用于输出A相电流和B相电流；
电源，其输出端与所述双极性脉宽调制电路的输入端连接；
开关，所述电源的输出端与单极性步进电机的公共抽头通过开关连接；
当所述开关断开时，所述双极性脉宽调制电路驱动所述双极性步进电机工作；当所述开关接通时，所述双极性脉宽调制电路驱动单极性步进电机工作。
可选的，所述双极性脉宽调制电路的A相电流输出端与双极性步进电机的A相电流输入端连接，所述双极性脉宽调制电路的B相电流输出端与所述双极性步进电机的B相电流输入端连接；或，所述双极性脉宽调制电路的A相电流输出端与所述单极性步进电机的A相电流输入端连接，所述双极性脉宽调制电路的B相电流输出端与所述单极性步进电机的B相电流输入端连接。
可选的，所述双极性脉宽调制电路包括4个桥臂支路，其中：
第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的源极接地；第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8的漏极与所述电源的正极连接；所述第一MOS管Q1的漏极与所述第五MOS管Q5的源极连接，构成第一桥臂支路；所述第二MOS管Q2的漏极与所述第六MOS管Q6的源极连接，构成第二桥臂支路；所述第三MOS管Q3的漏极与所述第七MOS管Q7的源极连接，构成第三桥臂支路；所述第四MOS管Q4的漏极与所述第八MOS管Q8的源极连接，构成第四桥臂支路；
所述第一桥臂支路输出A+相电流；所述第二桥臂支路输出A-相电流；所述第三桥臂支路输出B+相电流；所述第四桥臂支路输出B-相电流。
可选的，所述开关为单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的第一静触点悬空或接地；所述单刀双掷开关的第二静触点与所述单极性步进电机的公共抽头连接。
可选的，所述单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器还包括：
升压电路，其输入端与电源的输出端连接，升压电路的输出端与单极性步进电机的公共抽头通过开关连接；
降压电路，其输入端与电源的输出端连接，降压电路的输出端与单极性步进电机的公共抽头通过开关连接。
可选的，所述升压电路包括：
电感L，其一端与所述电源的正极连接，所述电感L的另一端与二极管D的正极连接；
第一功率管T1，其集电极与所述电感L的另一端连接，所述第一功率管T1的发射极与所述电源的负极连接；所述第一功率管T1由第一脉宽调制信号驱动；
电容C，其一端与所述二极管D的负极连接，所述电容C的另一端与所述第一功率管T1的发射极连接；
所述二极管D的负极为电压输出端，所述第一功率管T1的发射极接地。
可选的，所述降压电路包括：
第二功率管T2，其集电极与所述电源的正极连接，所述第二功率管T2的发射极与所述二极管D的正极连接；所述第二功率管T2由第二脉宽调制信号驱动。
可选的，所述二极管为肖特基二极管。
可选的，所述电源的输出电压为12V～24V；所述降压电路的输出电压范围为3V～所述电源的输出电压最大值；所述升压电路的输出电压范围为所述电源的输出电压最小值～48V。
本发明实施例的有益效果：
通过开关断开，使步进电机驱动器的双极性脉宽调制电路输出双相电流，能够直接驱动双极性步进电机；通过开关闭合，接入单极性步进电机的公共抽头，再改变双极性脉宽调制电路输出电流，以驱动单极性步进电机，即实现了一个驱动器兼容驱动单极性和双极性步进电机的功能；
在一种优选的实施方式中，在驱动单极性步进电机时，通过接入升压/降压电路，将升压/降压电路的输出端与单极性步进电机的公共抽头连接，再改变脉宽调制电路输出电流，以驱动不同工作电压的单极性步进电机，提高了驱动器利用率；将升压电路和降压电路合二为一，电路极其简单，易于实现、降低成本，仅需要针对对应电机进行相应的程序配置或设定，就可以获得相对应的电压来驱动不同电压类型的单极性步进电机；对于那些电机运行率不高，发热较低，但需要瞬间加大电机力矩的场合，也可以应用本电路进行短时的电压升高，以短时加大电机输出力矩，这是普通单极性电机驱动器所不具备的特殊性能；对于那些电机发热过大，但又不能停机的场合，应用本发明也可以降低电压输出，使电机能够降低发热，而不会因为过热故障而停机。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器的结构图；
图2示出了本发明实施例中一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器的电路图；
图3示出了本发明实施例中一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器的升压电路图；
图4示出了本发明实施例中一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器的降压电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，包括双极性脉宽调制电路10，开关30和电源40，其中：双极性脉宽调制电路10用于输出A相电流和B相电流；电源40的输出端与双极性脉宽调制电路10的输入端连接；电源40的输出端与单极性步进电机M2的公共抽头通过开关30连接，当开关30断开时，双极性脉宽调制电路10驱动双极性步进电机M1工作；当开关30接通时，双极性脉宽调制电路10驱动单极性步进电机M2工作。
作为可选的实施方式，双极性脉宽调制电路10的A相电流输出端与双极性步进电机M1的A相电流输入端连接，双极性脉宽调制电路10的B相电流输出端与双极性步进电机M1的B相电流输入端连接；或，双极性脉宽调制电路10的A相电流输出端与单极性步进电机M2的A相电流输入端连接，双极性脉宽调制电路10的B相电流输出端与单极性步进电机M2的B相电流输入端连接。
在本实施例中，由于双极性步进电机M1的对应的驱动电路是双向导电的，也就是通过四线两相连接：如图2所示，通过A+、A-、B+和B-四线连接驱动。
而单极性步进电机是五线四相，就是有5个接线口，4个线圈。由于有五个接线头，即接线头的个数是奇数个，也就是说有一个接线头是公共接头，即图示中的VA和VB接头，通过开关30与电源40的输出端连接。
作为可选的实施方式，双极性脉宽调制电路包括4个桥臂支路，其中：
第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的源极接地；第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8的漏极与电源的正极连接；第一MOS管Q1的漏极与第五MOS管Q5的源极连接，构成第一桥臂支路；第二MOS管Q2的漏极与第六MOS管Q6的源极连接，构成第二桥臂支路；第三MOS管Q3的漏极与第七MOS管Q7的源极连接，构成第三桥臂支路；第四MOS管Q4的漏极与第八MOS管Q8的源极连接，构成第四桥臂支路；
第一桥臂支路输出A+相电流；第二桥臂支路输出A-相电流；第三桥臂支路输出B+相电流；第四桥臂支路输出B-相电流。
在本实施例中，如图2所示，为了兼顾单极性步进电机M2和双极性步进电机M1，采用4个桥臂支路组成的双极性脉宽调制电路。
作为可选的实施方式，开关30单刀双掷开关；单刀双掷开关的第一静触点悬空或接地；单刀双掷开关的第二静触点与单极性步进电机M2的公共抽头连接。
电机连接器采用6脚连接器：
(1)当接入双极性步进电机M1时，开关S1的1脚和2脚断开，连接A+，A-，B+和B-脚位，此时Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6,，Q7和Q8采用互补带死区脉宽调制信号驱动步进电机，此时的A相电流流向为：当Q5和Q2打开，Q1和Q6关断时，电流经过Q5流入绕组A+，经绕组A-流出，经Q2流入GND；当Q6和Q1打开，Q5和Q2关断时，电流经过Q6流入绕组A-，经绕组A+流出，经Q1流入GND。由于是双向导电，因此B相电流流向与A相电流相同。
(2)当接入单极性步进电机M2时，开关S1的1脚和2脚接通，连接A+，A-，B+和B-脚位，VA和VB连接电机两项公共抽头，此时Q1，Q2，Q3和Q4采用脉宽调制信号驱动，Q5，Q6，Q7和Q8关闭，此时的A相绕组电流流向：电流经S1的12脚，经VA接口进入电机A相绕组，按电机节拍要求或打开Q1，则电流经过A+绕组，经Q1流出至GND。按电机节拍要求打开Q2,则电流经过A-绕组，经Q2流出至GND。B相绕组电流流向同理。
为了进一步提高本驱动器的多样性，在电源40和开关30之间设置升压电路21和降压电路22，配合程序设定的升压指令和降压指令输出相应的电压至单极性步进电机M2公共抽头，可以驱动不同工作电压的单极性步进电机M2，提高了驱动器利用率。
具体的，升压电路21的输出端与单极性步进电机M2的公共抽头通过开关30连接；降压电路22的输入端与电源40的输出端连接，降压电路22的输出端与单极性步进电机M2的公共抽头通过开关30连接。
如图3所示，作为可选的实施方式，升压电路包括：
电感L，其一端与电源的正极连接，电感L的另一端与二极管D的正极连接；
第一功率管T1，其集电极与电感L的另一端连接，第一功率管T1的发射极与电源的负极连接；第一功率管T1由第一脉宽调制信号驱动；
电容C，其一端与二极管的负极连接，电容的另一端与第一功率管T1的发射极连接；
二极管D的负极为电压输出端，第一功率管T1的发射极接地。
使第一功率管T1导通，增加电感L的储能至预设值；使第一功率管T1截止，电感L对电容进行缓慢充电，电容两端的电压高于电源的输出电压，实现升压。
在本实施例中，当功率管导通时，电感储能饱和。二极管因为单相导通避免了电容对地放电。由于输入时直流电压，电感上的电流呈比例线性增加，随着电流增加，电感里储存相应的能量。而当功率管截止时，由于电感具有电流保持的特性，电感流经的电流不会立即归零，而是对电容缓慢的充电，而原先的充电电容被断开，电感的能量被逐步向电容转移，电容因为充电，两端电压逐渐升高，此时电压高于输入电压，放电结束。如果电容的容量与负载匹配，输出端就可以在放电工程中得到持续输出的稳定电流，而随着通断过程的不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压，以此来调节驱动单极性步进电机所需的不同电压。
如图4所示，作为可选的实施方式，降压电路包括：
第二功率管T2，其集电极与电源的正极连接，第二功率管T2的发射极与二极管的正极连接；第二功率管T2由第二脉宽调制信号驱动。
在本实施例中，采用分压原理，通过对第二功率管T2的基极施加与所需电压相应的固定频率的输出输入电压比例占空比的脉宽调制信号，使电感L两端电压上升，电容两端的电压低于电源的输出电压，实现降压。优选的，可以将升压电路和降压电路合二为一，电路极其简单，易于实现、降低成本，仅需要针对对应电机进行相应的程序配置或设定，就可以获得相对应的电压来驱动不同电压类型的单极性步进电机。
作为可选的实施方式，二极管为肖特基二极管。
在本实施例中，采用肖特基型二极管，以降低因为电流而产生的发热。
电源的输出电压为12V～24V；降压电路的输出电压范围为3V～电源的输出电压最大值；升压电路的输出电压范围为电源的输出电压最小值～48V。
本实施例提供的驱动器既能测试12V单极性步进电机，也能驱动24V单极性步进电机，具体地，对于单极性12V，24V，36V或48V电压步进电机都可以应用，实现了一款驱动器解决多种电压方案。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，包括：
双极性脉宽调制电路，用于输出A相电流和B相电流；
电源，其输出端与所述双极性脉宽调制电路的输入端连接；
开关，所述电源的输出端与单极性步进电机的公共抽头通过开关连接；
当所述开关断开时，所述双极性脉宽调制电路驱动所述双极性步进电机工作；当所述开关接通时，所述双极性脉宽调制电路驱动单极性步进电机工作。
2.根据权利要求1所述的单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，所述双极性脉宽调制电路的A相电流输出端与双极性步进电机的A相电流输入端连接，所述双极性脉宽调制电路的B相电流输出端与所述双极性步进电机的B相电流输入端连接；或，所述双极性脉宽调制电路的A相电流输出端与所述单极性步进电机的A相电流输入端连接，所述双极性脉宽调制电路的B相电流输出端与所述单极性步进电机的B相电流输入端连接。
3.根据权利要求1所述的单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，所述双极性脉宽调制电路包括4个桥臂支路，其中：
第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的源极接地；第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7和第八MOS管Q8的漏极与所述电源的正极连接；所述第一MOS管Q1的漏极与所述第五MOS管Q5的源极连接，构成第一桥臂支路；所述第二MOS管Q2的漏极与所述第六MOS管Q6的源极连接，构成第二桥臂支路；所述第三MOS管Q3的漏极与所述第七MOS管Q7的源极连接，构成第三桥臂支路；所述第四MOS管Q4的漏极与所述第八MOS管Q8的源极连接，构成第四桥臂支路；
所述第一桥臂支路输出A+相电流；所述第二桥臂支路输出A-相电流；所述第三桥臂支路输出B+相电流；所述第四桥臂支路输出B-相电流。
4.根据权利要求1所述的单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，所述开关为单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的第一静触点悬空或接地；所述单刀双掷开关的第二静触点与所述单极性步进电机的公共抽头连接。
5.根据权利要求1所述的单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，所述单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器还包括：
升压电路，其输入端与电源的输出端连接，升压电路的输出端与单极性步进电机的公共抽头通过开关连接；
降压电路，其输入端与电源的输出端连接，降压电路的输出端与单极性步进电机的公共抽头通过开关连接。
6.根据权利要求5所述的单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，所述升压电路包括：
电感L，其一端与所述电源的正极连接，所述电感L的另一端与二极管D的正极连接；
第一功率管T1，其集电极与所述电感L的另一端连接，所述第一功率管T1的发射极与所述电源的负极连接；所述第一功率管T1由第一脉宽调制信号驱动；
电容C，其一端与所述二极管D的负极连接，所述电容C的另一端与所述第一功率管T1的发射极连接；
所述二极管D的负极为电压输出端，所述第一功率管T1的发射极接地。
7.根据权利要求6所述的单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，所述降压电路包括：
第二功率管T2，其集电极与所述电源的正极连接，所述第二功率管T2的发射极与所述二极管D的正极连接；所述第二功率管T2由第二脉宽调制信号驱动。
8.根据权利要求7所述的单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，所述二极管为肖特基二极管。
9.根据权利要求5所述的单极性和双极性共用的一体化步进电机驱动器，其特征在于，所述电源的输出电压为12V～24V；所述降压电路的输出电压范围为3V～所述电源的输出电压最大值；所述升压电路的输出电压范围为所述电源的输出电压最小值～48V。
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Citations (8)

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