雙極步進電機用于許多應(yīng)用，從通過打印機驅(qū)動紙張到移動工業(yè)設(shè)備中的XY級。通常，電機由廉價和專用的步進電機驅(qū)動IC驅(qū)動和控制。不幸的是，這些IC中的大多數(shù)都使用簡單的電流控制方法，導(dǎo)致電機電流波形不完善，并導(dǎo)致運動質(zhì)量不理想。在步進電機驅(qū)動IC內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)部雙向電流檢測，可提高運動質(zhì)量，同時降低系統(tǒng)成本。

雙極步進電機基礎(chǔ)知識

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

通常，步進器不是用模擬線性放大器驅(qū)動的。它們使用PWM電流調(diào)節(jié)驅(qū)動IC驅(qū)動，該驅(qū)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(shù)量的段，并且隨著段數(shù)的增加，波形接近真正的正弦波。在實踐中，段數(shù)從4到2048或更多不等，大多數(shù)IC步進驅(qū)動IC實現(xiàn)4到64段。由于一個正弦波產(chǎn)生四個步驟（步進電機中的機械狀態(tài)），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(zhuǎn)子的位置取決于流經(jīng)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(tǒng)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(qū)動電機的繞組電流的精度，這是合乎邏輯的。

不準(zhǔn)確的電流控制在機械系統(tǒng)中會導(dǎo)致兩個問題：

•  在低速或當(dāng)步進電機用于定位應(yīng)用時，電機在每個微步處的步進量不同。這會導(dǎo)致定位錯誤。
• 在較高速度下，非線性會在電機的單次旋轉(zhuǎn)內(nèi)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(shù)步進電機驅(qū)動IC依靠步進電機繞組的電感特性來實現(xiàn)PWM電流調(diào)節(jié)。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(dǎo)致電流通過繞組的電感產(chǎn)生。一旦電流達(dá)到所需水平，H橋就會改變狀態(tài)以逆轉(zhuǎn)電流積聚。經(jīng)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(qū)動電流通過繞組。

重復(fù)此過程，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為每個段設(shè)置所需電流。當(dāng)狀態(tài)機前進到下一段時，調(diào)節(jié)的峰值電流會相應(yīng)地變化。

達(dá)到所需的峰值電流后，H橋可以通過以下兩種方式之一驅(qū)動繞組電流下降：

• 如果繞組短路（通過同時打開兩個低側(cè)或兩個高側(cè)MOSFET），電流將緩慢衰減。
• 如果H橋反轉(zhuǎn)或允許電流通過MOSFET體二極管重新循環(huán)，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(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。為了快速移動步進電機，希望能夠在很短的時間內(nèi)驅(qū)動電流變化。不幸的是，還有另一個因素不利于當(dāng)前的變化。當(dāng)電機處于運動狀態(tài)時，感應(yīng)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(zhuǎn)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(qū)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(dǎo)線匝數(shù)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(dá)到相同的扭矩。

傳統(tǒng)峰值電流控制的問題

傳統(tǒng)的峰值電流控制步進電機驅(qū)動IC僅在驅(qū)動電流通過繞組時檢測峰值電流。達(dá)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(jié)束。在衰減期間，驅(qū)動IC對電流的作用視而不見。這可能會導(dǎo)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(zhǔn)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(diào)節(jié)。

為了防止由于繞組電容而錯誤地感應(yīng)PWM周期開始時發(fā)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(nèi)始終驅(qū)動繞組的事實可能導(dǎo)致電流實際上增加失控 。這會導(dǎo)致嚴(yán)重的電流波形失真和較差的運動質(zhì)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(tài)。

為了避免這種情況，許多步進電機驅(qū)動IC實施了慢衰減方案，其中僅在電流遠(yuǎn)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(qū)動至零。然而，慢衰減和快速衰減調(diào)節(jié)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(dǎo)致平均電流水平誤差和較差的運動質(zhì)量（參見圖4）。

圖4：常規(guī)電流調(diào)節(jié)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(dǎo)致位置誤差和瞬時速度變化。當(dāng)電流波形超過零時，也會發(fā)生類似的跳躍。

檢測雙向電流

傳統(tǒng)的步進驅(qū)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(dǎo)通期間的電流。在緩慢衰減期間，電流通過H橋再循環(huán)，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(zhuǎn)，產(chǎn)生負(fù)電壓。在大多數(shù)功率IC工藝中，利用這種負(fù)電壓是困難或昂貴的。

除了PWM導(dǎo)通時間之外，如果我們在衰減期間監(jiān)控電流，則可以改善步進電機驅(qū)動IC中的許多電流調(diào)節(jié)問題。然而，當(dāng)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(nèi)部檢測電流，而不是使用外部檢測電阻。內(nèi)部電流檢測允許始終監(jiān)控電流，例如在PWM導(dǎo)通期間，以及在快速和慢速衰減期間。盡管它增加了驅(qū)動IC的復(fù)雜性，但內(nèi)部電流檢測實際上可以降低系統(tǒng)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(dāng)昂貴 - 其中兩個電阻器的成本可能與驅(qū)動IC一樣高！

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