基于LMD18245型驱动器的二相步进电机细分驱动器设计

    摘要：给出一种基于LMDl8245型驱动器的二相步进电机细分驱动器的设计方法．着重介绍LMD-18245的工作原理以及系统的硬件连接和软件设计。

    关键词：LMDl8245；步进电机；细分驱动

引言

步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。目前用于电脑绣花机的步进电机多数为五相混合式步进电机，目的是通过采用高相数的步进电机来减小步矩角和提高控制精度，但是采用该种方式获得的性能上的提高是有限的．而且成本也相对较高。采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。若采用反应式步进电机，在性能明显提高的同时还能大大降低产品的成本。

    笔者采用美国国家半导体公司的LMDl8245型步进电机专用驱动电路设计了一种二相步进电机的细分驱动器。

1 LMDl2845的特点及功能

LMDl2845是二相步进电机专用驱动电路，其全桥功率驱动器集成了双极性步进电机驱动和控制电流所需的全部电路，并通过相同单稳态结构上的DMOS功率开关在同一器件上构建双极CMOS控制和电流保护等功能的组合，同时采用创新的电流检测方式，基本消除了功率损耗。一个LMDl8245能够驱动一相双极性步进电机绕组．当其工作电压达55V时，电流可达3A(峰值为6A)，其内置的4位数／模转换器提供了一种对电机电流的数字化控制，从而简化了步进电机全步、半步及细分驱动的实现方式，而对于要求更高的细分驱动应用还可以通过外扩DAC来实现。

1．1主要特点

●工作电压可达55V，电流在3A连续可调；

●每个功率开关管具有很低的RDS(on)(通常为 0．312)；

●内置箝位二极管；

●低损耗电流检测方式；

●电机电流用数字或模拟控制；

OTI'[．及CMOS输入兼容；

●在Ti=155~C~于自动关断；

●过流保护；

●消除浪涌电流；

●采用15引脚TO一220封装。

1．2功能原理

LMDl8245主要由断路放大器、电流感应放大器、4位DAC、比较器、单稳态及保护电路等部分组成，其功能和连接框图如图1所示。下面简单介绍主要模块的工作原理。

(1)断路放大器

断路放大器通过管理功率桥中的反馈驱动开关来控制和限制电机线圈中的电流。功率桥由4个固态功率开关管(S1，S2，S3，S4)和4个H配置连接的二极管组成，如图2所示。控制电路检测电机线圈电流并和门限电流相比较。当电机线圈电流保持在门限电流以下时，桥对面的一个源开关和一个关断开关使得供电电压加在线圈上，同时线圈电流快速增加到1／cc／R(R为线圈电阻)。一旦线圈电流超过门限电流，控制电路就关闭关断开关一个固定的关断时间。在关断期间源开关和对面上位二极管将线圈短路，同时线圈电流续流并以指数衰减到零．在关断时间的最后，控制电路将另一关断开关打开．并且线圈电流再次快速增加到I／cc／R。重复上述过程可以实现电流浪涌动作，从而将线圈电流限制在门限电流．且只有当线圈电流达到门限电流时浪涌电流才会发生。

(2)数／模转换器(DAC)

DAC的作用是在VOACREFD／16处浪涌设置门限电压，其中D是与加在M4一M1上的二进制数相等的十进制数，M4是最高位。在要求更高的应用中，外部：DAC能够驱动DAC REF输入。DAC REF的最大直流电压是12V，VDAC REF的合适电压范围是0V~5V。

（3）比较器、单稳态及线圈电流浪涌门限

引脚CS OUT上电压超出DAC的输出电压时，比较器触发单稳态，单稳态一旦被触发就给控制逻辑提供关断脉冲。在关断脉冲期间，功率轿使电机线圈短路，从而引起线圈中的电流续流并衰减到零，通过连接在RC和地之间的一个并行阻容网络，可将关断及脉冲时间设置为1.1RC秒。综上所述不难得出线圈电流约为（（VDAC REF D/16）/250×10-6×RS）时发生浪涌。

图3

2 驱动系统设计

通过以下不同组合方式配置M4-M1端口，LMD18245可以工作在单相运行全步、双相运行全步、不加转矩补偿的半步驱动、加转矩补偿的半步驱动、1/4细分驱动、1/8细分驱动、1/10细分驱动、1/16细分驱动等驱动方式下。不同驱动方式下。不同驱动方式可以通过调整外部跳线实现，也可以通过在线编程软件实现。这里介绍最常用的，性能较好的10细分驱动的原理及应用，系统原理图如图3所示。该电路主要由一个AT80C2051和二个LMD18245及外围电路组成。

2.1 系统供电

系统由二路电源供电，一路采用8~12V DC给LM7805供电，输出5V标准电压，作为系统的信号电源；由于LM18235F型驱动器的额定输入电压最大值为55V DC，因此，当使用超过45V DC的电源时，将会产生由电机减速所带来的反电动势，可能会使供电电压增加并超出55V额定电压的限制。为加强保护，可放置一个适当的齐纳二极管将电压限制在55V以下，也可在电机供电端接入一个低于2.5A的保险丝。由此可见，用一个标准24V交流变压器即可，因为经过二极管整流和电容器滤波可以产生接近35V DC的电压来实现电源供电。该系统采用未稳压的线性电源。而如果采用开关电源，则要在输出端放置一个大电容器（10000μF或更大）。

2.2 步进/方向连接

AT89C2051的（T0）P3.4和（T1）P3.5口均定义为GPIO口并分别接二个驱动器的DIR输入端，P3.4和P3.5的输出由程序控制。步进电机的实际运转方向通过改变INT1(P3.3)输入电平来实现，INT0（P3.2）作为步进脉冲输入口，步进和方向信号均设置为“低有效”，它们和BREAK信号均来自上位机，有时可能需要光电隔离，并且引脚脉宽至少应为2ms。该系统的最大步进频率为45kHz，在1/8细分驱动模式下，1.8o步矩角的步进电机转速可以接近1700rpm。

2.3BRAKE的连接

LMD18245驱动器的一个设计特点是具有BRAKE（刹车）引脚，是用来关断步进电机的电源。

该引脚为逻辑高电平时会使能刹车并制动步进电机。正常操作时，BRAKE引脚为低电平或接地。在该系统中，BRAKE引脚接收上位机的信号来实现电机的实时关断。

2.4限流电阻的设置

LMDl8245驱动步进电机的电流达到3A／相．最大驱动电流输出由电阻器R5和R7设置。电流检测电阻可以采用以下公式计算：R=20000／A(其中R的单位是欧姆，A的单位为安培)。电阻器。R5和R7的典型值如表1所示，要求使用l／4W电阻并且阻值不能低于6.6kΩ。二个LMDl8245型驱动器必须设置为相同的电流输出门限，R5和R7采用相同的阻值。不要使驱动器的输出超过3A，否则将会出现问题。若要灵活改变电流输出，可以采用两个最大阻值为25kΩ的可变电阻器分别替换R5和R7，但为安全起见，还是建议采用R5和R7。

2.5驱动方式选择

在不同的步进阶段给LMDl8245的M4-M1端口加载一定序列的二进制数可以非常容易地实现二相步进电机全步驱动、半步驱动、1/4细分驱动、1/8细分驱动、l/10细分驱动和l／16细分驱动等驱动方式，可以设置外部的跳线开关给SELl、SEL2、SEL3端口加载不同的值并通过相应的软件确定具体以何种方式驱动步进电机。

3 驱动系统软件设计

该系统采用AT89C2051作为主控制器，其指令系统与5l指令集完全兼容。根据二相双极型步进电机均匀细分时的电流变化规律公式：IA=Im-cosθ，IB=Imsinθ，可以计算出1／10细分驱动时电机中的相电流比及其对应的M4一Ml上的二进制等量数值。将该等量数值用数组表示为：

PDAC [40] =fob000011 11，0b001011 11，0bolollll O，0b01111101，…，0b00101111}；

表1 限流电阻及输出电流门限

PDIR[40]={0b00110000,0b00110000,0b00110000，0b00110000，…，0b00010000 l；

由此得出二相步进电机驱动控制软件流程如图4所示，其中初始化设置要定义各端口的功能,设置INT0为边沿触发，其余均为GPIO口：初始化电机主要是运行前设置端口的I／O方向，确定所选择的细分驱动方式，关断所有线圈电源并记录正确的步进位置；在中断服务程序中判断步进方向并计算步进位置，根据步进位置在数组PDAC[401]及：PDIR[40]中选取正确的值送到AT89c2051的P1和P3口完成一个微步进过程；最后由用户中止程序运行。

4 结束语

笔者设计的二相步进电机细分驱动器在低头数电脑绣花机中得到较好的应用，工作过程中运转噪声低、运行平稳、控制性能较好、使用方便、整机设计简洁、价格低廉，是一种性价较高的二相步进电机驱动器。