圖2:H橋工作狀態(tài)。
由于電機(jī)繞組是感性的,電流的變化率取決于施加的電壓和線圈感值。要步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)行,理想的情況就是是能夠控制驅(qū)動(dòng)電流在很短的時(shí)間內(nèi)變化。不幸的是,電機(jī)運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓,其方向與外加電壓相反,反抗電流發(fā)生改變的趨勢(shì),稱(chēng)為“反電動(dòng)勢(shì)”。 所以電機(jī)轉(zhuǎn)速越快,此反向電動(dòng)勢(shì)就越大,在它作用下電機(jī)隨速度的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩變小。 為了減輕這些問(wèn)題,要么提高驅(qū)動(dòng)電壓,要么降低電機(jī)繞組電感。 降低電感意味著用更少的匝數(shù)繞組,就需要更高的電流來(lái)達(dá)到相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度和扭矩。
傳統(tǒng)峰值電流控制的問(wèn)題
傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)峰值電流控制,通常只檢測(cè)通過(guò)線圈的峰值電流。 當(dāng)預(yù)期的峰值電流達(dá)到后,H橋就會(huì)切換導(dǎo)通狀態(tài),使得輸出電流衰減(快衰減,慢衰減,或兩者的組合),持續(xù)一定固定時(shí)間,或等一個(gè)PWM周期結(jié)束。電流衰減時(shí),驅(qū)動(dòng)IC無(wú)法檢測(cè)輸出電流,從而導(dǎo)致一些問(wèn)題。
一般來(lái)說(shuō),最好是用慢衰減,可以得到更小的電流紋波,平均電流能更準(zhǔn)確的跟蹤峰值電流。 然而,隨著步率增大,慢衰減不能夠及時(shí)降低繞組電流,無(wú)法保證精確的電流調(diào)節(jié)。
為了防止采樣到開(kāi)關(guān)電流尖峰,在每個(gè)PWM周期的開(kāi)始,有一個(gè)非常短的時(shí)間(blanking time)是不采樣繞組電流的,那么此時(shí)的電流就是不受控制的。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電流波形畸變和電機(jī)運(yùn)行的不穩(wěn)定(見(jiàn)圖3)。

圖3:慢衰減模式下的電流畸變。
在正弦波達(dá)到峰值后,電流先開(kāi)始衰減,然后又增加,直到H橋工作在高阻狀態(tài),電流才繼續(xù)向零衰減。
為了避免這種情況,許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,在電流幅值增加的時(shí)候采用慢衰減模式,在電流幅值減小時(shí)使用快衰減或混合衰減(結(jié)合快衰減和慢衰減)模式。 然而,這兩種衰減模式的平均電流是是完全不同的,因?yàn)榭焖p模式時(shí)的電流紋波相對(duì)大很多。 結(jié)果就是,兩種模式下的平均電流值相差很大,導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)(見(jiàn)圖4)。

圖4:傳統(tǒng)峰值電流控制下的波形
如圖4波形所示,峰值電流后一步和前一步的電機(jī)步進(jìn)不一樣,會(huì)導(dǎo)致位置誤差和瞬時(shí)速度的變化。電流過(guò)零時(shí),因?yàn)閮煞N衰減模式的切換,也會(huì)有同樣的問(wèn)題。
雙向電流采樣
傳統(tǒng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng),在每個(gè)H橋下管源極和地之間接外部檢測(cè)電阻,只測(cè)量PWM導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)電阻上的正向電壓。在慢衰減模式下,電流循環(huán)通過(guò)內(nèi)部MOSFET,不通過(guò)檢測(cè)電阻,因此無(wú)法測(cè)量電流。在快衰減模式下,通過(guò)電阻的電流翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生的是負(fù)電壓。對(duì)于目前的電源IC工藝,負(fù)電壓很難被簡(jiǎn)單的采樣處理。
如果我們可以監(jiān)控電流衰減時(shí)期的繞組電流,許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流調(diào)節(jié)問(wèn)題就能被解決。但是,如上所說(shuō)通過(guò)外部檢測(cè)電阻很難實(shí)現(xiàn),更好的選擇是嘗試內(nèi)部電流檢測(cè)。內(nèi)部電流檢測(cè)允許在任何時(shí)候監(jiān)測(cè)電流,如PWM導(dǎo)通時(shí)間,以及快衰減和慢衰減過(guò)程中。 雖然它增加了驅(qū)動(dòng)IC的復(fù)雜性,但內(nèi)部電流檢測(cè)大大降低了系統(tǒng)成本,因?yàn)橥獠康牟蓸与娮璨恍枰恕?這些電阻非常大且昂貴,價(jià)格通常和驅(qū)動(dòng)IC差不多!
MP6500步進(jìn)驅(qū)動(dòng)IC
MP6500雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,集成內(nèi)部電流檢測(cè),很好的取代了傳統(tǒng)廉價(jià)的峰值電流控制雙極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)IC。MP6500內(nèi)部電路框圖如圖5所示。
