驱动IC改善电流控制,提高步进电机运动质量

双极步进电机用于许多应用,从通过打印机驱动纸张到移动工业设备中的XY级。通常,电机由廉价和专用的步进电机驱动IC驱动和控制。不幸的是,这些IC中的大多数都使用简单的电流控制方法,导致电机电流波形不完善,并导致运动质量不理想。在步进电机驱动IC内实现内部双向电流检测,可提高运动质量,同时降低系统成本。

 

双极步进电机基础知识

双极步进电机包含两个绕组。电机通过驱动不同的电流依次通过两个绕组来移动。为了使电机平稳移动,两个绕组可以用90°异相的正弦电流驱动 - 正弦和余弦。


通常,步进器不是用模拟线性放大器驱动的。它们使用PWM电流调节驱动IC驱动,该驱动IC具有将正弦波分成直线段的离散电流值。这称为微步进。正弦波可以分解成任意数量的段,并且随着段数的增加,波形接近真正的正弦波。在实践中,段数从4到2048或更多不等,大多数IC步进驱动IC实现4到64段。由于一个正弦波产生四个步骤(步进电机中的机械状态),因此64段序列称为1/8步操作(见图1)。

微步电流波形
图1:微步电流波形

 

为什么电流控制精度很重要

双极步进电机转子的位置取决于流经两个绕组的电流大小。通常,如果使用步进电机,则需要对某些机械系统进行精确的机械定位或精确的速度控制。因此,运动的精度部分取决于用于驱动电机的绕组电流的精度,这是合乎逻辑的。

不准确的电流控制在机械系统中会导致两个问题:

  •  在低速或当步进电机用于定位应用时,电机在每个微步处的步进量不同。这会导致定位错误。
  • 在较高速度下,非线性会在电机的单次旋转内引起短期速度变化。这增加了不需要的部件到扭矩,增加了电机的噪音和振动。
     

PWM和衰减模式

大多数步进电机驱动IC依靠步进电机绕组的电感特性来实现PWM电流调节。每个绕组使用功率MOSFET的H桥布置,在PWM周期开始时将电源电压施加到绕组上,导致电流通过绕组的电感产生。一旦电流达到所需水平,H桥就会改变状态以逆转电流积聚。经过一段固定的一段时间后,一个新的PWM周期开始,H桥再次驱动电流通过绕组。

重复此过程,因此绕组电流随状态机和DAC编程的峰值电流上升和下降,DAC为每个段设置所需电流。当状态机前进到下一段时,调节的峰值电流会相应地变化。

达到所需的峰值电流后,H桥可以通过以下两种方式之一驱动绕组电流下降:

  • 如果绕组短路(通过同时打开两个低侧或两个高侧MOSFET),电流将缓慢衰减。
  • 如果H桥反转或允许电流通过MOSFET体二极管重新循环,则电流将迅速衰减。

这两个选项称为慢衰减和快速衰减(见图2)。

H桥状态
图2:H桥状态


由于电机绕组是电感器,因此电流变化的速率与施加的电压及其电感成正比。为了快速移动步进电机,希望能够在很短的时间内驱动电流变化。不幸的是,还有另一个因素不利于当前的变化。当电机处于运动状态时,感应的电压与电流(反电动势)相反。这种反电动势有效地降低了可用于增加绕组中电流的电压,因此电机转动得越快,通过绕组强制改变电流所需的时间就越长。

为了缓解这些问题,必须增加驱动电压,或者必须降低电机电感。由于较低的电感意味着绕组上的导线匝数较少,因此也意味着需要更高的电流才能获得相同的磁场以达到相同的扭矩。

 

传统峰值电流控制的问题

传统的峰值电流控制步进电机驱动IC仅在驱动电流通过绕组时检测峰值电流。达到峰值电流后,进入衰减模式(快速衰减、慢衰减或两者的组合)一段固定的时间段或直到固定PWM周期结束。在衰减期间,驱动IC对电流的作用视而不见。这可能会导致几个问题。

通常,希望使用慢衰减,因为它引起的电流纹波要小得多,并且允许平均电流更准确地跟踪峰值电流。然而,随着步进速率的增加,缓慢衰减无法以足够快的速度降低通过绕组的电流以保持精确的电流调节。

为了防止由于绕组电容而错误地感应PWM周期开始时发生的电流尖峰,总会有一个短暂的消隐期,在此期间电流水平被忽略。在此消隐时间内始终驱动绕组的事实可能导致电流实际上增加失控 。这会导致严重的电流波形失真和较差的运动质量(见图3)。

慢衰减模式下的电流失真
图3:慢衰减模式下的电流失真


在正弦波峰值之后,电流首先朝零方向开始,然后增加,直到H桥在零电流段期间三态。

为了避免这种情况,许多步进电机驱动IC实施了慢衰减方案,其中仅在电流远离零时使用慢衰减,并使用快速或混合衰减(快速和慢速衰减的组合)将电流驱动至零。然而,慢衰减和快速衰减调节的平均电流是完全不同的,因为在快速衰减模式下电流纹波增加。这会导致平均电流水平误差和较差的运动质量(参见图4)。


常规电流调节波形
图4:常规电流调节波形


在上面的波形中,电机在峰值电流之后的阶跃中将比在峰值电流之前的阶跃中移动更多。这会导致位置误差和瞬时速度变化。当电流波形超过零时,也会发生类似的跳跃。

 

检测双向电流

传统的步进驱动IC使用连接在每个H桥底部和地之间的外部检测电阻,仅在检测电压为正时测量PWM导通期间的电流。在缓慢衰减期间,电流通过H桥再循环,不通过检测电阻,因此无法测量电流。在快速衰减期间,通过电阻器的电流反转,产生负电压。在大多数功率IC工艺中,利用这种负电压是困难或昂贵的。

除了PWM导通时间之外,如果我们在衰减期间监控电流,则可以改善步进电机驱动IC中的许多电流调节问题。然而,当使用外部检测电阻测量电流时,这可能很困难。

更好的选择是通过H桥在内部检测电流,而不是使用外部检测电阻。内部电流检测允许始终监控电流,例如在PWM导通期间,以及在快速和慢速衰减期间。尽管它增加了驱动IC的复杂性,但内部电流检测实际上可以降低系统成本,因为不需要外部低欧姆检测电阻。这些电阻器在物理上很大且相当昂贵 - 其中两个电阻器的成本可能与驱动IC一样高!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-09-22 14:25
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