步进电机H桥型驱动电路设计及其应用
摘要
本文设计了一种H桥型步进电机驱动电路，并详细阐述了其工作原理和功能。该驱动电路的主要特点是使加到电机绕组上的电流信号前后沿较陡，从而降低了开关损耗，改善了电机的高频特性。此外，该电路还具备多种保护功能。以AT89S51单片机为主控芯片，设计了基于此驱动电路的一种步进电机控制器，从硬件结构和软件编程两个方面给出了设计过程。实验证明，基于该驱动电路的控制器简单、可靠，并具有优良的驱动性能。
引言
步进电机自20世纪20年代开始被广泛使用，随着嵌入式系统（如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和DVD等）的日益流行，步进电机的使用量也在不断增加。步进电机的性能在很大程度上依赖于驱动电路的优劣。其中，H桥功率驱动电路广泛应用于步进电机中，特别是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，这样的绕组电源需用H桥驱动。本文以两相混合式步进电机驱动器为例，设计了H桥驱动电路，并将此驱动电路应用于步进电机的控制器中。
H桥型驱动电路设计
本文设计的H桥型驱动电路产生的步进电机驱动电流前后沿比较陡，能降低开关损耗，改善电机的开关特性，同时具有多种保护功能。
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。四个开关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、K2合上，K3、K4断开时，电流在线圈中的流向如图1（a）；当控制信号使开关K3、K4合上，K1、K2断开时，电流在线圈中的流向如图1（b）。四个二极管V1、V2、V3、V4为续流二极管。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MOS FET管。
由步进电机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。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，而过渡过程的时间通常不变，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程度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。
结论
本文设计的H桥型步进电机驱动电路具有优良的驱动性能和多种保护功能，适用于各种步进电机的驱动需求。通过实验验证，该驱动电路在实际应用中表现出色，能够有效提升步进电机的运行性能。