基于SMA7029M多芯片模塊的步進電機驅(qū)動設(shè)計-工業(yè)控制
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行設(shè)備，是現(xiàn)代機電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件之一。它通常被用作定位控制和定速控制，以其慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點廣泛應用于數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復印機、傳真機等機電一體化產(chǎn)品。相應的步進電機驅(qū)動器也得到了快速的發(fā)展和改進。但是目前在工業(yè)應用中，多數(shù)驅(qū)動器體積較大，通用性不強，往往要求外接多路電源，而且成本較高。文中介紹了采用Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊設(shè)計步進電機的驅(qū)動電路，為步進電機提供穩(wěn)定的輸出電流，并通過試驗和實際使用驗證了其通用性強、控制簡單、可靠性高的特性。
1 步進電機特點及驅(qū)動
步進電機受脈沖電流控制，每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。轉(zhuǎn)子的角位移正比于輸入脈沖的數(shù)量，轉(zhuǎn)子的角速度正比于輸入脈沖的頻率，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子繞組的通電順序。在使用過程中步進電機有一定的步距誤差，但沒有累計誤差。若維持控制繞組的電流不變，則步進電機就可停在某一位置不動。其按力矩產(chǎn)生的原理可分為反應式步進電機和激磁式步進電機。按輸出力矩大小可分為伺服式步進電機和功率式步進電機。
由于步進電機是屬于感性器件，感抗與其輸入頻率是成正比。假設(shè)步進電機的轉(zhuǎn)速增加，其感抗也會增大。該狀態(tài)下流入電機線圈的電流就會減小，電機的輸出扭力達不到要求輸出，嚴重的情況下會造成電機失步或者電機只振動不轉(zhuǎn)。這就要求其驅(qū)動電路能夠提供穩(wěn)定的輸出電流，使步進電機具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動。一般設(shè)計中步進電機驅(qū)動都用采用三極管或者是用ULN2803IC等來驅(qū)動，這些驅(qū)動在實驗板或一些轉(zhuǎn)速不高、帶動負載小的應用場所使用比較合適，在實際工作設(shè)計中遠遠達不到所需要求。針對這些問題，各大公司陸續(xù)推出了專用的步進電機驅(qū)動芯片，簡化其驅(qū)動設(shè)計。Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊就是一款性能使用簡單控制優(yōu)良的步進電機控制模塊，該多芯片模塊能為步進電機提供穩(wěn)定的輸出電流，使電機能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動。
2 步進電機驅(qū)動設(shè)計
SMA7029M是專為高效率、高性能的兩相單極步進電機設(shè)計的多芯片模塊，它采用功率FET技術(shù)和單片邏輯控制電路對完成步進電機的運動控制。同一系列的還有SLA7024M和SLA7026M，三個芯片模塊不同主要是在輸出額定電流(1．5 A或3．0 A)和包裝樣式上。
2．1 SMA7029M結(jié)構(gòu)及驅(qū)動設(shè)計
SMA7029M內(nèi)部主要包含電流峰值檢測部分，PWM關(guān)閉時間控制部分，電機邏輯控制部分，輸出電流及回流電流控制部分，如圖1所示。其工作過程主要是通過電流采樣，通過峰值檢測電路得到當前最大電流，根據(jù)其結(jié)果控制PWM工作時間，最終達到控制整個芯片組輸出電流的目的。
圖1也給出基于SMA7029M芯片組電機驅(qū)動設(shè)計的外圍電路，主要包含參考電壓取樣電路，OC門反向器輸入電路，電流取樣以及輸出變壓器耦合電路。通過設(shè)置電路中的R3=47 kΩ，C1=470 pF，可以得到脈寬約等于12μs。
2. 2 邏輯控制關(guān)系
SMA7029M可以通過外部邏輯控制實現(xiàn)電機狀態(tài)的改變，表1給出了詳細的控制方式及輸出結(jié)果。
其中tda和tdb扎連接外部OC門反相器的邏輯控制信號，連接關(guān)系見圖1所示。從表l中可以看出，不同控制關(guān)系下輸出的不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移，A和B兩個通道可以獨立控制，例如在狀態(tài)0及狀態(tài)2下A，B通道分別獨立工作，而在狀態(tài)1下二者可以同時工作。
2．3 工作模式選擇
通過改變圖1中外部元器件取值來設(shè)置PWM電流啟動點。Vb是供電電壓，典型取值為5 V；R1，R2為分壓電阻，為所需參考電壓提供合適的輸入；Rs是電流取樣電阻。其中參考電壓Vref輸入最大不能超過2 V，相應地選擇合適的電阻。在正常PWM模式(滿電流工作)下，Iout需要設(shè)置到電機工作所需的滿電流，它由式(1)決定：
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