要使控制脉冲驱动步进电动机旋转，必须对它进行功率放大，实现这一功能的电路称为驱动电路，常用的驱动电路有单极性驱动和双极性驱动两种。

2.3.4.1　单极性驱动

1.单电压驱动方式

如图2.29所示为一相控制绕组驱动电路的原理图。当有控制脉冲信号输入时，功率管V导通，控制绕组中有电流流过；否则，功率管V关断，控制绕组中没有电流流过。

图2.29　单电压驱动电路原理图

为了减小控制绕组电路的时间常数，提高步进电动机的动态转矩，改善运行性能，在控制绕组中串联电阻Rf1，同时也起限流作用，电阻两端并联电容C的作用是改善注入步进电动机控制绕组中电流脉冲的前沿。在功率管V导通的瞬间，由于电容上的电压不能跃变，电容C相当于将电阻R短接，使控制绕组中的电流迅速上升，这样就使得电流波形的前沿明显变陡。但是如果电容C选择不当，在低频段会使振荡有所增加，引起低频性能变差。

由于功率管V由导通突然变为关断状态时，在控制绕组中会产生很高的电动势，其极性与电源的极性一致，两者叠加在一起作用到功率管V的集电极上，很容易使功率管击穿。为此，并联一个二极管D及其串联电阻Rf2，形成放电回路，限制功率管V集电极上的电压，保护功率管V。

单电压驱动方式的最大特点是线路简单、功率元件少、成本低。但它的缺点是由于电阻Rf1要消耗能量，使得工作效率低。所以这种驱动方式只适用小功率步进电动机的驱动。

图2.30　高、低压驱动电路

2.高、低压驱动电路（双电压驱动方式）

如图2.30所示，当分配脉冲时，三极管Vg和Vd的基极电压同时由低电平跳到高电平，Vg和Vd同时导通，高压Ug加到绕组两端，使得绕组电流迅速上升。这时二极管D1两端承受反向电压，处于截至状态，低压电源Ud不起作用。当绕组电流超过额定电流的1~2倍时，通过电流检测器切断Vg的基极电压，使得Vg截止。但此时Vd依然是导通的，绕组电流转而由低压电源经过二极管D1供给，此时绕组电流是额定电流，电阻Rf1是限流电阻。

当高电平变为低电平时，Vd也截止，绕组电流经二极管D2和电阻Rf2向高压电源放电，绕组电流迅速下降。如图2.31所示，由于Rf1很小，所以这种电路的功耗小，而且电流波形较平滑，提高了启动和运行频率。

图2.31　高、低压驱动电路的电压和电流波形图

（a）脉冲电压；（b）绕组电压；（c）绕组电流

3.斩波限流驱动电路

大功率场效应晶体管（VMOSFET）是一种新型的高压、高速大电流元件，它的驱动功率很小，无二次击穿问题，适宜作步进电动机的驱动元件，如图2.32所示是应用VMOS管的斩波限流驱动电路。

当分配脉冲到来时，V1和V2导通，步进电动机绕组流入电流，且迅速上升，当达到一定值时，电阻R5的端电压大于电压比较器LM741的同相输入端电压，电压比较器输出为低电平，锁住与门4023，从而使V1截止，而V2导通，由于绕组电流不会突变，经二极管D2和V2逐渐衰减，当减到一定值（一般为额定电流的90%）时，R5的端电压小于电压比较器LM741的同相输入端电压，电压比较器输出为高电平，再使V1导通，这样在整个脉冲期间，绕组电流保持在一定范围内波动。当分配脉冲消失时，V1和V2均截止，绕组电流经D1流回到电源，形成很陡的电流脉冲后沿，如图2.33所示。

这种电路具有以下优点：

（1）效率高。V1和V2工作于开关状态，以斩波方式获得绕组电流，效率比高、低压驱动电路高得多。

图2.32　斩波限流驱动电路

图2.33　斩波限流驱动电路的电压和电流波形图

（2）电流幅值和波形调整方便：可通过改变电压比较器同相输入端的整定电压的幅值和波形来达到。例如很容易得到一个前高后低的电流波形，以提高动态转矩，减少静态损耗。

（3）开关管所承受的电压任何时候不超过电源电压，所以可以采用较高的电源电压，以获得较快的旋转速度。

这种驱动方式不仅具有高低压驱动方式的优点，而且由于电流的波形得到了补偿，使电动机的运行性能得到显著提高。它的缺点是线路相对较复杂，而且要求功率管的开关速度高。

4.调频调压驱动方式

从本质上来说，步进电动机控制绕组中的电流对运行性能起着决定性的作用。一般希望在低速时绕组电流上升缓慢一些，使转子向新的稳定平衡位置移动时不要有严重的过冲，避免产生明显的振荡；而在建立足够的绕组电流时，希望在高速运行中电流波形的前沿较陡，以提高带负载能力。然而前几种驱动电路都不能很好满足这一要求。因此，可采用调频调压驱动方式。

调频调压驱动方式的电路原理如图2.34所示。电压调整器用脉冲调宽（PWM）实现调压，输出电压随脉冲频率的上升而上升；积分器对脉冲进行积分，其输出电压与锯齿波发生器产生的锯齿波在比较器中进行比较，产生脉宽随频率变化的控制脉冲信号，用该信号控制电压调整器，即可控制U2的大小，达到随输入控制脉冲频率的变化自动调整控制绕组电源电压的目的，从而调节控制绕组中的电流。即输入控制脉冲频率低，使得绕组所加电压低，电流上升较缓；输入控制脉冲频率高等，使得绕组所加电压高，电流上升较快，电流波形如图2.35所示。

图2.34　调频调压驱动电路原理图

图2.35　调频调压电流波形(www.daowen.com)

（a）低频电压；（b）高频电压

这种驱动方式不仅线路比较复杂，而且在实际运行时针对不同参数的电动机，还要相应调整电压U2与输入控制脉冲频率的特性。

5.细分驱动方式

一般步进电动机受制造工艺的限制，它的步距角是有限的。而实际中的某些系统往往要求步进电动机的步距角必须很小，才能达到设计加工要求，这时一般的驱动方式是不行的。为此，常采用细分驱动方式。所谓细分驱动方式，就是把原来的一步再细分成若干步，使步进电动机的转速近似为匀速运动，并能在任何位置停步。为达到这一目的，可将原来的矩形脉冲电流改为阶梯波电流，如图2.36所示。这样在输入电流的每个阶梯，电动机转动一步，步距角减小了很多，从而提高了运行的平滑性，改善了低频特性，负载能力也有所增加。

图2.36　阶梯电流波形

实现阶梯波形电流通常有如下两种方法：

（1）通过顺序脉冲形成器所形成的各个等幅等宽的脉冲，用几个完全相同的开关放大器分别进行功率放大，接着在电动机的绕组中将这些脉冲电流进行叠加，形成阶梯波电流，如图2.37（a）所示。这种方法功率元件多，容量小，且构造简单，容易调整。适用于中、大功率步进电动机的驱动。

（2）把顺序脉冲形成器所形成的等幅、等宽的脉冲，先合成阶梯波，然后对阶梯波进行放大并驱动步进电动机，如图2.37（b）所示。这种方法是功率元件少，但元件的容量较大，它适用于微小功率步进电动机的驱动。

图2.37　阶梯波形电流合成的原理图

（a）先放大后合成；（b）先合成后放大

2.3.4.2　双极性驱动

前面介绍的各种驱动电路只能使控制绕组中的电流以相同的方向流动，适用于反应式步进电动机。而对于永磁式或混合式步进电动机要求在工作时定子磁极的极性交变，即绕组由双极性驱动电路驱动，形成绕组电流的正、反方向流动。大大提高了绕组利用率，增大低速时的转矩。

如果系统能提供合适的正负功率电源，则双极性驱动电路将相当简单，如图2.38（a）所示。若V1导通提供正向电流，V2导通则提供反向电流。然而大多数系统只有单极性的功率电源，这时就要采用全桥式驱动电路，如图2.38（b）所示。若V2和V3导通提供正向电流，V1、V4导通则提供反向电流。

由于双极性驱动电路较为复杂，过去仅用于大功率步进电动机。但近年来出现了集成化的双极性驱动芯片，使它能方便地应用于对效率和体积要求较高的产品中。

下面以L298双H桥驱动器和L297步进电动机恒流斩波驱动器组成的双极性恒流斩波驱动电路为例，来介绍集成化驱动电路的应用。

L297是ST公司推出的一种步进电动机斩波驱动控制器，主要用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制。其原理框图如图2.39所示。它主要包含下面三部分的内容：

（1）译码器（即脉冲分配器）。是将输入的走步时钟脉冲（CP）、正/反转方向信号（CW/CCW）、半步/全步信号（HALF/FULL）综合以后，形成符合要求的各相通断信号。

图2.38　双极性驱动电源原理图

图2.39　L297电路原理图

（2）斩波器。由比较器、触发器和振荡器组成。主要用于检测电流采样值和参考电压值，并进行比较，由比较器输出信号来开通触发器，再由振荡器按一定频率形成斩波信号。

（3）输出逻辑。综合了译码器信号与斩波信号产生A、B、C、D（1、2、3、4）四相信号以及禁止信号。控制（CONTROL）信号用来选择斩波信号的控制方式。当为低电平时，斩波信号作用于禁止信号；而高电平时，斩波信号作用于A、B、C、D信号。若使能（ENABLE）信号为低电平时，禁止信号及A、B、C、D信号均被强制为低电平。

L298双H桥驱动器可接收标准逻辑电平信号（TTL），H桥适应46V电源电压，可达2.5A的相电流，可驱动电感性负载。它的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5~46V电压。下桥臂晶体管的发射极单独引出，并联在一起，以便接入电流取样电阻，形成电流传感信号。内部结构如图2.40所示。

图2.40　L298内部原理图

如图2.41所示为由L297、L298组成的双极性恒流斩波驱动电路。

图2.41　专用芯片构成的双极性斩波驱动电路

当某一相绕组电流上升，电流采样电阻上的电压超过斩波控制电路L297中Vref引脚的限流电平参考电压时，其禁止信号为低电平、驱动管截止、绕组电流下降。待绕组电流下降到定值时，禁止信号变为高电平，相应的驱动管又导通，这就使电流稳定在要求值附近。

与L298类似的电路还有：

（1）TSR公司的3717的单H桥电路。

（2）SGS公司的SG3635的单桥臂电路。

（3）IR公司的IR2130的三相桥电路。