两相混合式步进电机H桥驱动电路设计方案原理

1、两相混合式步进电机 H桥驱动电路设计原理H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的 驱动。永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电 源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组 电源需用H桥驱动。本文以两相混合式步进电机驱动器为例来设计 H 桥驱动电路。电路原理图1给出了 H桥驱动电路与步进电机AB相绕组连接的电路框图。Y(b)电机疑组AB的电流方向4个开关K1和K4, K2和K3分别受控制信号a, b的控制，当控制信号使开关K1, K4合上，K2, K3断开时，电流在线圈中的流向如 图1(a)，当控制信号使开关K2, K3合上，K1, K4断开时，

2、电流在线 圈中的流向如图1(b)所示。4个二极管VD1, VD2 VD3 VD4为续流 二极管，它们所起的作用是：以图1(a)为例，当K1, K4开关受控制 由闭合转向断开时，由于此时线圈绕组 AB上的电流不能突变，仍需 按原电流方向流动(即A-B)，此时由VD3 VD2来提供回路。因此， 电流在K1, K4关断的瞬间由地VD线圈绕组 ALVDA电源+Vs 形成续流回路。同理，在图1(b)中，当开关K2, K3关断的瞬间，由 二极管VD4 VD1提供线圈绕组的续流，电流回路为地VD4线圈绕 组BA VD电源+Vs。步进电机驱动器中，实现上述开关功能的元件在实际电路中常采用功率 MOSFE管。由

3、步进电机H桥驱动电路原理可知，电流在绕组中流动是两个完 全相反的方向。推动级的信号逻辑应使对角线晶体管不能同时导通， 以免造成高低压管的直通。另外，步进电机的绕组是感性负载，在通电时，随着电机运行频 率的升高，而过渡的时间常不变，使得绕组电流还没来得及达到稳态 值又被切断，平均电流变小，输出力矩下降，当驱动频率高到一定的 时候将产生堵转或失步现象。因此，步进电机的驱动除了电机的设计 尽量地减少绕组电感量外，还要对驱动电源采取措施，也就是提高导 通相电流的前后沿陡度以提高电机运行的性能。步进电机的缺陷是高频出力不足，低频振荡，步进电机的性能除 电机自身固有的性能外，驱动器的驱动电源也直接影响电机

4、的特性。要想改善步进电机的频率特性，就必须提高电源电压。电路设计图2给出了驱动器AB相线圈功率驱动部分原理图S2动电瑤知功車MOSFET書的JK动选用的功率 MOSFE元件是 IRFP460,其，ID=20A, VDss=500 V, RDS(ON)=0 27Q。在图2中，功率MOSFE管VT1, VT2, VT3,VT4和续流二极管 VD11, VD19 VD14 VD22相当于图 1 中的 K1 , K2, K3, K4和 VD1 VD2 VD3 VD4功率MOSFE管的控制信号是由TTL逻辑电平a , a , b , b来提 供的，其中a与a , b与b在逻辑上互反。a.驱动电流前后沿的

5、改善从步进电机的运行特性分析中知道，性能较高的驱动器都要求提 供的电流前后沿要陡，以便改善电机的高频响应。本驱动器中由于功 率MOSFE管栅极电容的存在，对该管的驱动电流实际表现为对栅极 电容的充、放电。极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越 大，为使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流要具有较大 的数值。如果直接用集电极开路的器件如SN7407驱动功率MOSFE管, 则电路在MOSFE管带感性负载时，上升时间过长，会造成动态损耗 增大。为改进功率MOSFE管的快速开通时间，同时也减少在前级门 电路上的功耗，采用图2虚线框内的左下臂驱动电路。集电极开路器件U14是将TTL电平转换成

6、CMO电平的缓冲/驱动 器，当U14输出低电平时，功率MOSFE管VT2的栅极电容通过1N4148 被短路至地，这时U14吸收电流的能力受U14内部导通管所允许通过 的电流限制。而当U14输出为高电平时，VT2管的栅极通过晶体管V3 获得电压和电流，充电能力提高，因而开通速度加快。b.保护功能图2虚线框中，1N4744是栅源间的过压保护齐纳二极管，其稳 压值为15 V。由于，功率MOSFE管栅源间的阻抗很高，故工作于开 关状态下的漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相 当幅度的VCS脉冲电压。这一电压会引起栅源击穿造成管子的永久损 坏，如果是正方向的VCS脉冲电压，虽然达不到损坏器件

7、的程度，但 会导致器件的误导通。为此，要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅 源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值小于20 V而又接近20V的齐纳二极管1N4744防止栅源开路工作。功率MOSFE管有内接的快恢复二极管。当不接VD11,VD12VD13 VD14时，假定此时电机AB相绕组由VT1管（和VT4管）驱动，即VT2 管（和VB）截止，VT1管（和VT4管）导通，电流经VT1管流过绕组。当 下一个控制信号使VT1管关断时，负载绕组的续流电流经VT2的内接快恢复二极管从地获取。此时，VT2管的漏源电压即是该快恢复二极 管的通态压降，为一很小的负值。当 VT1再次导通时，该快恢复二极 管关断，VT

8、2的漏源电压迅速上升，直至接近于正电源的电压 +VS 这意味着VT2漏源间要承受很高且边沿很陡的上升电压， 该上升电压 反向加在VT2管内的快恢复二极管两端，会使快恢复二极管出现恢复 效应，即有一个很大的电流流过加有反向电压的快恢复二极管。为了抑制VT2管内的快恢复二极管出现这种反向恢复效应， 在图2电路中 接人了 VD11, VD12 VD13 VD14其中，反并联快恢复二极管 VD11 VD14的作用是为电机AB相绕组提供续流通路，VD12 VD13是为了使 功率MOSFE管VT1, VT2内部的快恢复二极管不流过反向电流，以保证VT1, VT2在动态工作时能起正常的开关作用。 VD19 VD20 VD21 VD22的作用亦是同样的道理。对图2电路的分析可知，信号a=1, b=1的情况是不允许存在的， 否则将因同时导通从而使电源直接连到地造成功率管的损坏；另外，根据步进电机运行脉冲分配的要求，VT1, VT2, VT3, VT4经常处于 交替工作状态，由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降 时间，总称关断时间，在这段时间内，晶体管并没完全关断。若在此 期间，另一个晶体管导通，则造成上、下两管直通而使电源短路，烧 坏晶体管或其他元器件。