驅動IC改善電流控制，提高步進電機運動質量

雙極步進電機用于許多應用，從通過打印機驅動紙張到移動工業設備中的XY級。通常，電機由廉價和專用的步進電機驅動IC驅動和控制。不幸的是，這些IC中的大多數都使用簡單的電流控制方法，導致電機電流波形不完善，并導致運動質量不理想。在步進電機驅動IC內實現內部雙向電流檢測，可提高運動質量，同時降低系統成本。

雙極步進電機基礎知識

雙極步進電機包含兩個繞組。電機通過驅動不同的電流依次通過兩個繞組來移動。為了使電機平穩移動，兩個繞組可以用90°異相的正弦電流驅動 - 正弦和余弦。

通常，步進器不是用模擬線性放大器驅動的。它們使用PWM電流調節驅動IC驅動，該驅動IC具有將正弦波分成直線段的離散電流值。這稱為微步進。正弦波可以分解成任意數量的段，并且隨著段數的增加，波形接近真正的正弦波。在實踐中，段數從4到2048或更多不等，大多數IC步進驅動IC實現4到64段。由于一個正弦波產生四個步驟（步進電機中的機械狀態），因此64段序列稱為1/8步操作（見圖1）。

圖1：微步電流波形

為什么電流控制精度很重要

雙極步進電機轉子的位置取決于流經兩個繞組的電流大小。通常，如果使用步進電機，則需要對某些機械系統進行精確的機械定位或精確的速度控制。因此，運動的精度部分取決于用于驅動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導致兩個問題：

•  在低速或當步進電機用于定位應用時，電機在每個微步處的步進量不同。這會導致定位錯誤。
• 在較高速度下，非線性會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。
   

PWM和衰減模式

大多數步進電機驅動IC依靠步進電機繞組的電感特性來實現PWM電流調節。每個繞組使用功率MOSFET的H橋布置，在PWM周期開始時將電源電壓施加到繞組上，導致電流通過繞組的電感產生。一旦電流達到所需水平，H橋就會改變狀態以逆轉電流積聚。經過一段固定的一段時間后，一個新的PWM周期開始，H橋再次驅動電流通過繞組。

重復此過程，因此繞組電流隨狀態機和DAC編程的峰值電流上升和下降，DAC為每個段設置所需電流。當狀態機前進到下一段時，調節的峰值電流會相應地變化。

達到所需的峰值電流后，H橋可以通過以下兩種方式之一驅動繞組電流下降：

• 如果繞組短路（通過同時打開兩個低側或兩個高側MOSFET），電流將緩慢衰減。
• 如果H橋反轉或允許電流通過MOSFET體二極管重新循環，則電流將迅速衰減。

這兩個選項稱為慢衰減和快速衰減（見圖2）。

圖2：H橋狀態

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。為了快速移動步進電機，希望能夠在很短的時間內驅動電流變化。不幸的是，還有另一個因素不利于當前的變化。當電機處于運動狀態時，感應的電壓與電流（反電動勢）相反。這種反電動勢有效地降低了可用于增加繞組中電流的電壓，因此電機轉動得越快，通過繞組強制改變電流所需的時間就越長。

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

傳統峰值電流控制的問題

傳統的峰值電流控制步進電機驅動IC僅在驅動電流通過繞組時檢測峰值電流。達到峰值電流后，進入衰減模式（快速衰減、慢衰減或兩者的組合）一段固定的時間段或直到固定PWM周期結束。在衰減期間，驅動IC對電流的作用視而不見。這可能會導致幾個問題。

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，隨著步進速率的增加，緩慢衰減無法以足夠快的速度降低通過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周期開始時發生的電流尖峰，總會有一個短暫的消隱期，在此期間電流水平被忽略。在此消隱時間內始終驅動繞組的事實可能導致電流實際上增加失控 。這會導致嚴重的電流波形失真和較差的運動質量（見圖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始，然后增加，直到H橋在零電流段期間三態。

為了避免這種情況，許多步進電機驅動IC實施了慢衰減方案，其中僅在電流遠離零時使用慢衰減，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。這會導致平均電流水平誤差和較差的運動質量（參見圖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更多。這會導致位置誤差和瞬時速度變化。當電流波形超過零時，也會發生類似的跳躍。

檢測雙向電流

傳統的步進驅動IC使用連接在每個H橋底部和地之間的外部檢測電阻，僅在檢測電壓為正時測量PWM導通期間的電流。在緩慢衰減期間，電流通過H橋再循環，不通過檢測電阻，因此無法測量電流。在快速衰減期間，通過電阻器的電流反轉，產生負電壓。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導通時間之外，如果我們在衰減期間監控電流，則可以改善步進電機驅動IC中的許多電流調節問題。然而，當使用外部檢測電阻測量電流時，這可能很困難。

更好的選擇是通過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IC的復雜性，但內部電流檢測實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 - 其中兩個電阻器的成本可能與驅動IC一樣高！

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