驅動(dòng)IC改善電流控制，提高步進(jìn)電機運動(dòng)質(zhì)量

雙極步進(jìn)電機用于許多應用，從通過(guò)打印機驅動(dòng)紙張到移動(dòng)工業(yè)設備中的XY級。通常，電機由廉價(jià)和專(zhuān)用的步進(jìn)電機驅動(dòng)IC驅動(dòng)和控制。不幸的是，這些IC中的大多數都使用簡(jiǎn)單的電流控制方法，導致電機電流波形不完善，并導致運動(dòng)質(zhì)量不理想。在步進(jìn)電機驅動(dòng)IC內實(shí)現內部雙向電流檢測，可提高運動(dòng)質(zhì)量，同時(shí)降低系統成本。

雙極步進(jìn)電機基礎知識

雙極步進(jìn)電機包含兩個(gè)繞組。電機通過(guò)驅動(dòng)不同的電流依次通過(guò)兩個(gè)繞組來(lái)移動(dòng)。為了使電機平穩移動(dòng)，兩個(gè)繞組可以用90°異相的正弦電流驅動(dòng) - 正弦和余弦。

通常，步進(jìn)器不是用模擬線(xiàn)性放大器驅動(dòng)的。它們使用PWM電流調節驅動(dòng)IC驅動(dòng)，該驅動(dòng)IC具有將正弦波分成直線(xiàn)段的離散電流值。這稱(chēng)為微步進(jìn)。正弦波可以分解成任意數量的段，并且隨著(zhù)段數的增加，波形接近真正的正弦波。在實(shí)踐中，段數從4到2048或更多不等，大多數IC步進(jìn)驅動(dòng)IC實(shí)現4到64段。由于一個(gè)正弦波產(chǎn)生四個(gè)步驟（步進(jìn)電機中的機械狀態(tài)），因此64段序列稱(chēng)為1/8步操作（見(jiàn)圖1）。

圖1：微步電流波形

為什么電流控制精度很重要

雙極步進(jìn)電機轉子的位置取決于流經(jīng)兩個(gè)繞組的電流大小。通常，如果使用步進(jìn)電機，則需要對某些機械系統進(jìn)行精確的機械定位或精確的速度控制。因此，運動(dòng)的精度部分取決于用于驅動(dòng)電機的繞組電流的精度，這是合乎邏輯的。

不準確的電流控制在機械系統中會(huì )導致兩個(gè)問(wèn)題：

•  在低速或當步進(jìn)電機用于定位應用時(shí)，電機在每個(gè)微步處的步進(jìn)量不同。這會(huì )導致定位錯誤。
• 在較高速度下，非線(xiàn)性會(huì )在電機的單次旋轉內引起短期速度變化。這增加了不需要的部件到扭矩，增加了電機的噪音和振動(dòng)。
   

PWM和衰減模式

大多數步進(jìn)電機驅動(dòng)IC依靠步進(jìn)電機繞組的電感特性來(lái)實(shí)現PWM電流調節。每個(gè)繞組使用功率MOSFET的H橋布置，在PWM周期開(kāi)始時(shí)將電源電壓施加到繞組上，導致電流通過(guò)繞組的電感產(chǎn)生。一旦電流達到所需水平，H橋就會(huì )改變狀態(tài)以逆轉電流積聚。經(jīng)過(guò)一段固定的一段時(shí)間后，一個(gè)新的PWM周期開(kāi)始，H橋再次驅動(dòng)電流通過(guò)繞組。

重復此過(guò)程，因此繞組電流隨狀態(tài)機和DAC編程的峰值電流上升和下降，DAC為每個(gè)段設置所需電流。當狀態(tài)機前進(jìn)到下一段時(shí)，調節的峰值電流會(huì )相應地變化。

達到所需的峰值電流后，H橋可以通過(guò)以下兩種方式之一驅動(dòng)繞組電流下降：

• 如果繞組短路（通過(guò)同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)低側或兩個(gè)高側MOSFET），電流將緩慢衰減。
• 如果H橋反轉或允許電流通過(guò)MOSFET體二極管重新循環(huán)，則電流將迅速衰減。

這兩個(gè)選項稱(chēng)為慢衰減和快速衰減（見(jiàn)圖2）。

圖2：H橋狀態(tài)

由于電機繞組是電感器，因此電流變化的速率與施加的電壓及其電感成正比。為了快速移動(dòng)步進(jìn)電機，希望能夠在很短的時(shí)間內驅動(dòng)電流變化。不幸的是，還有另一個(gè)因素不利于當前的變化。當電機處于運動(dòng)狀態(tài)時(shí)，感應的電壓與電流（反電動(dòng)勢）相反。這種反電動(dòng)勢有效地降低了可用于增加繞組中電流的電壓，因此電機轉動(dòng)得越快，通過(guò)繞組強制改變電流所需的時(shí)間就越長(cháng)。

為了緩解這些問(wèn)題，必須增加驅動(dòng)電壓，或者必須降低電機電感。由于較低的電感意味著(zhù)繞組上的導線(xiàn)匝數較少，因此也意味著(zhù)需要更高的電流才能獲得相同的磁場(chǎng)以達到相同的扭矩。

傳統峰值電流控制的問(wèn)題

傳統的峰值電流控制步進(jìn)電機驅動(dòng)IC僅在驅動(dòng)電流通過(guò)繞組時(shí)檢測峰值電流。達到峰值電流后，進(jìn)入衰減模式（快速衰減、慢衰減或兩者的組合）一段固定的時(shí)間段或直到固定PWM周期結束。在衰減期間，驅動(dòng)IC對電流的作用視而不見(jiàn)。這可能會(huì )導致幾個(gè)問(wèn)題。

通常，希望使用慢衰減，因為它引起的電流紋波要小得多，并且允許平均電流更準確地跟蹤峰值電流。然而，隨著(zhù)步進(jìn)速率的增加，緩慢衰減無(wú)法以足夠快的速度降低通過(guò)繞組的電流以保持精確的電流調節。

為了防止由于繞組電容而錯誤地感應PWM周期開(kāi)始時(shí)發(fā)生的電流尖峰，總會(huì )有一個(gè)短暫的消隱期，在此期間電流水平被忽略。在此消隱時(shí)間內始終驅動(dòng)繞組的事實(shí)可能導致電流實(shí)際上增加失控 。這會(huì )導致嚴重的電流波形失真和較差的運動(dòng)質(zhì)量（見(jiàn)圖3）。

圖3：慢衰減模式下的電流失真

在正弦波峰值之后，電流首先朝零方向開(kāi)始，然后增加，直到H橋在零電流段期間三態(tài)。

為了避免這種情況，許多步進(jìn)電機驅動(dòng)IC實(shí)施了慢衰減方案，其中僅在電流遠離零時(shí)使用慢衰減，并使用快速或混合衰減（快速和慢速衰減的組合）將電流驅動(dòng)至零。然而，慢衰減和快速衰減調節的平均電流是完全不同的，因為在快速衰減模式下電流紋波增加。這會(huì )導致平均電流水平誤差和較差的運動(dòng)質(zhì)量（參見(jiàn)圖4）。

圖4：常規電流調節波形

在上面的波形中，電機在峰值電流之后的階躍中將比在峰值電流之前的階躍中移動(dòng)更多。這會(huì )導致位置誤差和瞬時(shí)速度變化。當電流波形超過(guò)零時(shí)，也會(huì )發(fā)生類(lèi)似的跳躍。

檢測雙向電流

傳統的步進(jìn)驅動(dòng)IC使用連接在每個(gè)H橋底部和地之間的外部檢測電阻，僅在檢測電壓為正時(shí)測量PWM導通期間的電流。在緩慢衰減期間，電流通過(guò)H橋再循環(huán)，不通過(guò)檢測電阻，因此無(wú)法測量電流。在快速衰減期間，通過(guò)電阻器的電流反轉，產(chǎn)生負電壓。在大多數功率IC工藝中，利用這種負電壓是困難或昂貴的。

除了PWM導通時(shí)間之外，如果我們在衰減期間監控電流，則可以改善步進(jìn)電機驅動(dòng)IC中的許多電流調節問(wèn)題。然而，當使用外部檢測電阻測量電流時(shí)，這可能很困難。

更好的選擇是通過(guò)H橋在內部檢測電流，而不是使用外部檢測電阻。內部電流檢測允許始終監控電流，例如在PWM導通期間，以及在快速和慢速衰減期間。盡管它增加了驅動(dòng)IC的復雜性，但內部電流檢測實(shí)際上可以降低系統成本，因為不需要外部低歐姆檢測電阻。這些電阻器在物理上很大且相當昂貴 - 其中兩個(gè)電阻器的成本可能與驅動(dòng)IC一樣高！

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