一种步进电机驱动器及其驱动方法
【专利摘要】本发明公开了一种步进电机驱动器，包括半桥驱动电路、H桥电路、恒流斩波驱动电路；其中，该半桥驱动电路、H桥电路和恒流斩波驱动电路依次循环连接，并形成闭环回路，且H桥电路连接一步进电机；通过半桥驱动电路控制H桥电路保证在步进电机线圈绕组流动的两个电流方向完全相反，所述H桥电路控制步进电机转动，并发送一电压信号至恒流斩波驱动电路；所述恒流斩波驱动电路通过将电压信号与基准电压比对设置后，产生一固定频率斩波脉冲并发送至半桥驱动电路，从而保证步进电机的额定电流。通过该步进电机驱动器不仅解决了二相步进电机双向电流问题，而且实现步进电机驱动电流的闭环控制，同时使该驱动器具有工作稳定、功耗低、电源效率高的特点。
【专利说明】一种步进电机驱动器及其驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天领域的步进电机驱动器，尤其涉及一种用于运载火箭的步进电机驱动器及其驱动方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]运载火箭的转级系统或推进剂利用系统均需要驱动步进电机以调节推进剂流量。例如CZ-2D火箭的步进电机驱动采用的是电容起始充电瞬间断接，当电流达到稳态后，利用串联电阻来限流的方法，该种驱动方式的优点是结构简单利于实现，而缺点是电阻上需要消耗部分功率，从而使得电源的效率较低，并增加了体积重量。CZ-2C火箭的不仅电机驱动采用的是当导通的绕组长时间处于低电位时，电路内部+28V供电通道关闭、+6V供电通道打开，由+6V供电通道想该绕组提供电源输出，产生静态工作电流，电机停止转动；该转电电路是为整个利用系统转电而设置的，其优点是电源效率提高，缺点是转电控制电路比较复杂，时序控制精度要求高。
[0004]另外CZ-2D火箭和CZ-2C火箭的步进电机驱动都智能实现绕组单向电流，且只能应用于三相、五相等电机，不能应用于二相电机。
[0005]因此，有必要提供一种工作稳定、结构相对简单可靠，且能够应用于多种步进电机驱动器。
[0006]
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种电路结构简单、工作稳定，并能够实现降低启动器重量和功耗，能够实现二相步进电机驱动的步进电机驱动器。
[0008]为了实现上述目的，本发明提供了一种步进电机驱动器，该步进电机驱动器包括半桥驱动电路、H桥电路、电流取样比较斩波电路；其中，所述半桥驱动电路、所述H桥电路和所述电流取样比较斩波电路依次循环连接，并形成闭环回路，且所述H桥电路连接一步进电机；通过所述半桥驱动电路控制所述H桥电路保证在所述步进电机线圈绕组流动的两个电流方向完全相反，所述H桥电路控制所述步进电机转动，并发送一电压信号至所述电流取样比较斩波电路；所述电流取样比较斩波电路通过将所述电压信号与基准电压比对设置后，产生一固定频率斩波脉冲并发送至所述半桥驱动电路，从而保证所述步进电机的额定电流。
[0009]较佳地，该步进电机驱动器还包括一相序脉冲产生电路，所述相序脉冲产生电路分别连接所述半桥驱动电路和所述电流取样比较斩波电路；通过所述相序脉冲产生电路控制所述半桥驱动电路动作，并通过所述相序脉冲产生电路控制所述电流取样比对斩波电路进行电平设置。
[0010]较佳地，所述相序脉冲产生电路为DSP控制电路或FPGA控制电路，通过所述DSP控制电路或FPGA控制电路控制产生脉冲信号启动开关时序，并将脉冲信号传输至所述半桥驱动电路。
[0011]较佳地，所述半桥驱动电路为一高低端驱动升压电路，所述高低端驱动升压电路包括两个IR2110驱动芯片，且所述IR2110驱动芯片与所述H桥电路连接；通过所述IR2110驱动芯片分别控制所述H桥电路使步进电机线圈绕组中两个电流的流动方向完全相反。
[0012]较佳地，所述H 桥电路包括四个 MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,功率场效应管)器件，所述MOSFET器件内均设置有快恢复二极管，防止步进电机线圈绕组与电源瞬时关断时损坏该MOSFET器件，且所述快恢复二极管的正向最大电流为28A，反向工作峰值电压为200V，反向恢复时间为Ius ;通过所述H桥电路控制所述电流取样比较斩波电路动作，且通过所述H桥电路驱动所述步进电机工作。
[0013]较佳地，所述MOSFET器件分别连接一电源和采样电阻，通过所述电源供电导通所述MOSFET器件，并通过所述采样电阻将流过所述步进电机的电流作为电压采集，并将采集的电压值发送至所述电流取样比较斩波电路。
[0014]较佳地，所述电流取样比较斩波电路为一恒流斩波驱动电路，所述恒流斩波驱动电路在所述DSP控制电路和H桥电路的控制下，将所述采样电阻采集的电压对比基准电压，并输出一固定频率的反馈斩波脉冲至所述半桥驱动电路。
[0015]较佳地，所述电源的电压端设置有一超快回复二极管，从而防止步进电机线圈绕组切断电源时瞬时电流对电源端的冲击。
[0016]本发明还提出了一种步进电机的驱动方法，利用如上所述的步进电机驱动器进行驱动步进电机，具体包括如下步骤:
(1)通过所述相序脉冲产生电路控制开关时序并控制所述半桥驱动电路，从而使该步进电机驱动器工作；
(2)所述半桥驱动电路控制所述H桥电路在电源工作下，使该步进电机线圈绕组电流方向相反，并通过一采样电阻将流过步进电机线圈绕组的电流作为电压采集，并将采集的电压输入至电流取样比较斩波电路；
(3)通过所述电流取样比较斩波电路在所述相序脉冲产生电路的控制下，将所述采集电阻采集的步进电机的电压与基准电压比较，并产生一相应的斩波脉冲输出至所述半桥驱动电路；
(4)所述半桥驱动电路根据所述电流取样比较斩波电路反馈的斩波脉冲，控制所述H桥电路驱动该步进电机，并保持所述步进电机的额定电流。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
1、本发明的步进电机驱动器，通过设置电流取样比较斩波电路即恒流斩波电路，使其与H桥电路和半桥驱动电路形成一反馈回路，从而保证流过步进电机电流为额定电流，并实现步进电机电流的闭环控制；与现有技术中串联限流电阻的方法相比，有效提高了电源效率，并减小了步进电机驱动器的体积和重量。
[0018]2、本发明提供的步进电机驱动器，采用单一驱动电压供电，通过驱动电压提供步进电机线圈绕组电压，同时保证力矩稳定输出；与高低转电方法相比，控制电路明确，控制的时序精度要求降低，并且避免了转电的延迟、调节精度误差等的隐患。
[0019]3、本发明提供的步进电机驱动器，通过设置H桥电路和半桥驱动电路，通过该半桥驱动电路控制，应使该H桥电路的对角线上晶体管不能同时导通，以免造成高低压管的直通；而且通过半桥驱动电路控制该H桥电路，使步进电机线圈的两个绕组电流方向相反，实现了步进电机双向电流的问题。
[0020]4、本发明提供的步进电机驱动器，通过该半桥驱动电路、H桥电路和恒流斩波驱动电路形成闭环连接，从而对步进电机线圈绕组电流形成闭环控制，实现对步进电机的额定电流控制，使该步进电机驱动器工作稳定，不仅能够满足航天型号等恶劣环境下的高可靠工作要求，而且该结构简单，易于在CZ-6、CZ-2D等运载火箭控制系统转级控制器中实现和应用。
[0021]
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明步进电机驱动器实施的结构示意图；
图2为本发明步进电机驱动器实施的H桥电路驱动原理示意图；
图3为本发明步进电机驱动器实施的半桥驱动电路驱动原理示意图；
图4为本发明步进电机驱动器实施的恒流斩波驱动电路驱动原理示意图；
图5为本发明步进电机驱动器实施的驱动电路结构示意图。
[0023]符号列表:
10-DSP控制电路，11-半桥驱动电路，12-H桥电路,13-恒流斩波驱动电路，14-步进电机，15-第一 IR2110驱动芯片，16-第二 IR2110驱动芯片，17-采样电阻，18-功率地，19-电源；21-第一 MOSFET器件，22-第二 MOSFET器件，23-第三MOSFET器件，24-第四MOSFET器件。
[0024]【具体实施方式】:
参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以以不同形式、规格等实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使更多的有关本【技术领域】的人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚可见，可能放大或缩小了相对尺寸。
[0025]先参考图1详细描述本发明实施的步进电机驱动器，该步进电机驱动器包括相序脉冲产生电路、半桥驱动电路11、H桥电路12和电流取样比较斩波电路，其中，该相序脉冲产生电路可通过DSP控制电路10或FPGA控制电路实现并产生脉冲信号，该半桥驱动电路11为一高低端驱动升压电路，该电流取样比较斩波电路为一恒流斩波驱动电路13 ;该半桥驱动电路11、H桥驱动电路(即H桥电路)和恒流斩波驱动电路13依次循环连接形成闭环回路，该相序脉冲产生电路分别连接半桥驱动电路11和恒流斩波驱动电路13，且该H桥电路12连接一步进电机14 ;通过该相序脉冲产生电路产生脉冲信号控制该步进电机驱动器工作，并控制该恒流斩波驱动电路13比较电平的设置；该半桥驱动电路11控制该H桥电路12在电源输入下保证步进电机线圈绕组内流动的两个电流方向相反，从而控制该H桥电路12驱动该步进电机14工作，并发送一电压信号至恒流斩波驱动电路13，该恒流斩波驱动电路13通过将该电压信号与基准电压比较，并在相序脉冲产生电路的控制下产生一相应的脉冲信号(即斩波脉冲)，从而以一固定频率的斩波脉冲发送至半桥驱动电路11，从而控制保证步进电机14的额定电流。[0026]其中，如图2所示，该H桥电路12包括四个桥臂，即设置为四个MOSFET器件，并分别通过控制信号Ql、Q2、Q3和Q4控制该第一 MOSFET器件21、第二 MOSFET器件22、第三MOSFET器件23和第四MOSFET器件24，该第一 MOSFET器件21和第四MOSFET器件22、第二 MOSFET器件23和第三MOSFET器件24呈对角线设置，且其四个MOSFET器件分别连接该步进电机14，该步进电机14的驱动器的信号逻辑应使该H桥电路12对角线的MOSFET器件不能同时导通，以免造成第一 MOSFET器件21、第二 MOSFET器件22或第三MOSFET器件23、第四MOSFET器件24之间的高低压管直通，使该步进电机14不流通电流。因此，通过设置半桥驱动电路11控制该H桥电路12使实现电流在步进电机14线圈绕组中的方向相反。由于步进电机14的感性负载、电流大的特点，应设置该H桥电路12的泻放回路，即在每个MOSFET器件内设置快恢复二极管，该快恢复二极管的正向最大电流为28A，反向工作峰值电压为200V,反向回复时间为Ius ;从而保证该步进电机14在关断电源时,避免因瞬时电压过高而损坏H桥电路12。
[0027]该半桥驱动电路11为一高低端驱动升压电路，该高低端驱动升压电路包括两片的IR2110驱动芯片，该IR2110驱动芯片是一款高压、高速，且独立高低通道控制MOSFET器件的驱动器，该上臂输出可驱动MOSFET器件上的电压达400V，该芯片的供电范围为10V-20V ;该IR2110驱动芯片与H桥电路12连接，从而控制该MOSFET器件使步进电机线圈绕组中两个电流的流动方向相反。如图3所示为该半桥驱动电路11与H桥电路12控制该步进电机14的原理图，其中，该第一 IR2110驱动芯片15分别连接该第一 MOSFET器件21和第二 MOSFET器件22，该第二 IR2110驱动芯片16分别连接该第三MOSFET器件23和第四MOSFET器件24，该H桥电路12还连接+28V电源19和采样电阻17、功率低18端；在具体实施过程中，该第一 IR2110驱动芯片15的驱动信号Ql和Q2分别控制第一 MOSFET器件21和第二 MOSFET器件22，该第二 IR2110驱动芯片16的驱动信号Q3和Q4分别控制该第三MOSFET器件23和第四MOSFET器件24，而且，在工作阶段，通过DSP控制电路10控制该半桥驱动电路11工作，使该第一 IR2110驱动芯片15和第二 IR2110驱动芯片16交替发送驱动信号，从而使四个MOSFET器件在驱动信号Ql、Q2、Q3和Q4控制下交替工作，从而驱动该步进电机14工作，并保证该步进电机线圈绕组中的电流反向；即第一 MOSFET器件21和第四MOSFET器件24工作时，第二 MOSFET器件22和第三MOSFET器件23停止工作，该第二 MOSFET器件22和第三MOSFET器件23工作时，第一 MOSFET器件21和第四MOSFET器件24停止工作。由于MOSFET器件在关断过程中有一段存储时间和电流下降时间，成为关断时间，在这段时间内，MOSFET器件并没有完全关断，若在此期间，另一个MOSFET器件导通，则会造成下、下两个MOSFET器件直通而使电源短路，并烧坏MOSFET器件或其他期间，因此，为了避免这种情况，在DSP控制电路10或FPGA控制电路内设定保护模块，使H桥电路12上、下两个MOSFET器件交替导通时刻产生一个死区时间，通过先关或开，从而防止上、下两个MOSFET器件直通现象。
[0028]而且，该采样电阻17用于将步进电机线圈绕组中的电流作为电压采样，并将采样的电压值输入至恒流斩波驱动电路13 ;如图4所示，在具体实施过程中，该恒流斩波驱动电路13采用UC1843驱动芯片实现，由于该UC1843驱动芯片是高性能固定频率电流模式驱动器，具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿参考、高增益误差放大器以及电流取样比较器和大电流图腾柱式输出；该恒流斩波驱动电路13接收采样电阻17采集的电压值，并通过DSP控制电路10或FPGA控制电路对该恒流斩波驱动电路13进行误差设定和斩波频率设定，从而使该恒流斩波驱动电路13输出一固定频率的反馈斩波脉冲至半桥驱动电路11，从而使该半桥驱动电路11、H桥电路12和恒流斩波驱动电路13形成闭环控制，从而保证该步进电机14的额定电流。
[0029]另外，在该+28V电源端设置有一超快恢复二极管2CZ117E，防止步进电机绕组线圈泄放时对电源端的冲击，损坏电源及其他元器件。该相序脉冲产生电路通过DSP控制电路10或FPGA控制电路实现，通过该DSP控制电路10或FPGA控制电路实现该步进电机驱动器的通信和控制功能，通过该DSP控制电路10控制脉冲信号的计算和输出，以及角度电位计的AD输入等等。该DSP控制电路10和恒流斩波驱动电路、半桥驱动电路11均通过一DC电源进行供电，从而控制该H桥电路12驱动该二相步进电机工作。
[0030]在具体实施过程中，如图5所示，本发明通过步进电机驱动器驱动步进电机，其具体的驱动步骤包括:
(1)通过DSP控制电路产生脉冲信号并控制开关时序并控制该半桥驱动电路，从而使该步进电机驱动器工作；
(2)该半桥驱动电路控制H桥电路在电源工作下，使该步进电机线圈绕组转动，并是该线圈内两个电流方向相反，并通过一采样电阻将流过步进电机线圈的电流作为电压采集，并将采集的电压输入至恒流斩波驱动电路；
(3)通过恒流斩波驱动电路在DSP控制电路的控制下，将所述采集电阻采集的步进电机的电压与基准电压比较，并产生一频率固定的反馈斩波脉冲输出至半桥驱动电路；
(4)半桥驱动电路根据横流斩波驱动电路的反馈斩波脉冲，控制H桥电路驱动该步进电机，并保持所述步进电机的额定电流。
[0031]通过该步进电机驱动器的单一驱动电压供电，提供该步进电机绕组电压，同时保持力矩稳定输出，使工作稳定，并降低了时序精度要求，并避免了转电的延迟和调节精度误差的隐患；其通过H桥电路、半桥驱动电路和恒流斩波驱动电路形成的闭合环路，实现对步进电机线圈绕组电流的闭环控制，不仅解决了二相步进电机双向电流的问题，而且提高了电源工作效率，减少了步进电机驱动的体积和重量。
[0032]然而，本发明提供的步进电机驱动器，并不限于本实施例提出的实施方式，该步进电机驱动器的的相序脉冲产生电路不仅可通过DSP控制电路实现，也可以通过其他的具有控制功能的CPU实现；且半桥驱动电路也可以通过其他的高低端驱动芯片实现对H桥电路的半桥控制，从而实现步进电机线圈绕组中的电流方向。
[0033]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动在内。
【权利要求】
1.一种步进电机驱动器，其特征在于，包括半桥驱动电路、H桥电路、电流取样比较斩波电路； 其中，所述半桥驱动电路、所述H桥电路和所述电流取样比较斩波电路依次循环连接，并形成闭环回路，且所述H桥电路连接一步进电机； 通过所述半桥驱动电路控制所述H桥电路保证在所述步进电机线圈绕组流动的两个电流方向完全相反，所述H桥电路控制所述步进电机转动，并发送一电压信号至所述电流取样比较斩波电路；所述电流取样比较斩波电路通过将所述电压信号与基准电压比对设置后，产生一固定频率斩波脉冲并 反馈至所述半桥驱动电路，从而保证所述步进电机的额定电流。
2.根据权利要求1所述的步进电机驱动器，其特征在于，该步进电机驱动器还包括一相序脉冲产生电路，所述相序脉冲产生电路分别连接所述半桥驱动电路和所述电流取样比较斩波电路；通过所述相序脉冲产生电路控制所述半桥驱动电路动作，并通过所述相序脉冲产生电路控制所述电流取样比对斩波电路进行电平设置。
3.根据权利要求2所述的步进电机驱动器，其特征在于，所述相序脉冲产生电路为DSP控制电路或FPGA控制电路，通过所述DSP控制电路或FPGA控制电路控制产生脉冲信号启动开关时序，并将脉冲信号传输至所述半桥驱动电路。
4.根据权利要求3所述的步进电机驱动器，其特征在于，所述半桥驱动电路为一高低端驱动升压电路，所述高低端驱动升压电路包括两个IR2110驱动芯片，且所述IR2110驱动芯片与所述H桥电路连接；通过所述IR2110驱动芯片分别控制所述H桥电路使步进电机线圈绕组中两个电流的流动方向完全相反。
5.根据权利要求4所述的步进电机驱动器，其特征在于，所述H桥电路包括四个功率场效应管，所述功率场效应管内均设置有快恢复二极管，且所述快恢复二极管的正向最大电流为28A,反向工作峰值电压为200V,反向恢复时间为Ius ;通过所述H桥电路控制所述电流取样比较斩波电路动作，且通过所述H桥电路驱动所述步进电机工作。
6.根据权利要求5所述的步进电机驱动器，其特征在于，所述功率场效应管分别连接一电源和采样电阻，通过所述电源供电导通所述功率场效应管，并通过所述采样电阻将流过所述步进电机的电流作为电压采集，并将采集的电压值发送至所述电流取样比较斩波电路。
7.根据权利要求6所述的步进电机驱动器，其特征在于，所述电流取样比较斩波电路为一恒流斩波驱动电路，所述恒流斩波驱动电路在所述DSP控制电路和H桥电路的控制下，将所述采样电阻采集的电压对比基准电压，并输出一固定频率的反馈斩波脉冲至所述半桥驱动电路。
8.根据权利要求6所述的步进电机驱动器，其特征在于，所述电源一端设置有一超快回复二极管。
9.一种步进电机的驱动方法，利用如权利要求1所述的步进电机驱动器进行驱动步进电机，其特征在于，包括如下步骤: (1)通过所述相序脉冲产生电路控制开关时序并控制所述半桥驱动电路，从而使该步进电机驱动器工作； (2)所述半桥驱动电路控制所述H桥电路在电源工作下，使该步进电机线圈绕组电流方向相反，通过一采样电阻将流过步进电机线圈绕组的电流作为电压采集，并将采集的电压输入至电流取样比较斩波电路； (3)通过所述电流取样比较斩波电路在所述相序脉冲产生电路的控制下，将所述采集电阻采集的步进电机的电压与基准电压比较，并产生一相应的斩波脉冲输出至所述半桥驱动电路； (4)所述半桥驱动电路根据所述电流取样比较斩波电路反馈的斩波脉冲，控制所述H桥电路驱动该步进电机，并保持所述步进电机的额定电流。
【文档编号】H02P8/12GK103560730SQ201310555567
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】周振宇, 徐建萍, 宋晓东 申请人:上海航天测控通信研究所