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一种提高步进电机运行质量的电流控制方法 双极性步进电机广泛用于许多应用中，从打印机到工业设备中的移动 XY 工作台。通常情况下，电机驱动都采用较廉价的专用步进电机驱动芯片控 制。不幸的是，大多数这些驱动芯片都使用较简单的电流控制方法，使电 机的电流波形不理想，导致电机运行精度不高。现在，通过在步进电机驱 动 IC 内部集成双向电流采样，能有效提高电机运行控制精度，同时比传统 解决方案降低了系统成本。 双极性步进电机的基础知识 双极性步进电机包含两绕组，为了使电机运行平稳，不断的给这两个线圈 加以相位差 90 度的正弦波，步进电机就开始转动起来。 通常，步进电机不是由模拟线性放大器驱动；而是由 PWM 电流调节驱动， 把线性的正弦波信号转换成了离散的直线段信号。 正弦波可被分成多段， 随着段数的增加，波形不断接近正弦波。实际应用中，段数多从4 到2048 或更多，大多数步进驱动 IC 采用4 到64 段细分。整步驱动，每一时刻只 有一个相通电，两相电流交替和电流方向切换，使得一共产生四个步进电 机机械状态。半步驱动，比整步驱动方式相对复杂一些，在同一时刻，可 能两个相都需要被通电，如图 1 所示，使电机的步进分辨率提高了一倍。 细分驱动，电机转子走一步的角度将会随着细分数的增加而减小，电机转 动也越来越平稳，例如把一个 32 段细分序列称为八分之一步驱动模式(见 图1)。 图 1：细分驱动的电流波形。 电流控制精度的重要性 双极性步进电机转子的位置取决于流经两个线圈绕组的电流的大小。通常， 选择步进电机的主要指标为，准确的机械定位或精准的机械系统速度控制。 所以绕组电流的精度控制对步进电机的平稳运行非常重要。 在机械系统中，有两个问题会导致不准确的电流控制： • 在低速运行或用步进电机用于定位控制的情况下，每一细分段电机运行 的步数错误，导致错误的定位。 • 在高速运行下，系统非线性会导致短期电机运行速度变化，使得力矩不 稳，增加了电机噪声和振动。 PWM 控制和电流衰减模式(Decay Mode) 大多数的步进电机驱动 IC，依靠步进电机绕组的电感特性实现 PWM 电流 调节。通过每个绕组对应的功率 MOSFET 组成的 H 桥电路，随着 PWM 控制开始，电源电压被加到电机绕组上，从而产生驱动电流。一旦电流达 到设定值，H 桥就会切换控制状态，使得输出电流衰减。一定固定时间后， 一个新的 PWM 周期又会开始，H 桥再次产生线圈电流。 重复这一过程，使绕组电流上升和下降。通过电流采样和状态控制，可以 调节控制每一段细分的峰值电流值。 在预期的峰值电流达到后，H 桥驱动绕组的电流衰减控制方式有两种： • 绕组短路( 同时开通低侧或高侧的MOSFET)，电流衰减慢。 • H 桥反向导通，或允许电流通过 MOSFET 的体二极管流通，电流衰减快。 这两种电流衰减方式称为慢衰减和快衰减(见图2) 。 图2 ：H 桥工作状态。 由于电机绕组是感性的，电流的变化率取决于施加的电压和线圈感值。要 步进电机快速运行，理想的情况就是是能够控制驱动电流在很短的时间内 变化。不幸的是，电机运动中会产生一个电压，其方向与外加电压相反,反 抗电流发生改变的趋势，称为“反电动势” 。 所以电机转速越快，此反向电 动势就越大，在它作用下电机随速度的增大而相电流减小，从而导致力矩 变小。 为了减轻这些问题，要么提高驱动电压，要么降低电机绕组电感。 降低电感意味着用更少的匝数绕组，就需要更高的电流来达到相同的磁场 强度和扭矩。 传统峰值电流控制的问题 传统的步进电机峰值电流控制，通常只检测通过线圈的峰值电流。当预期 的峰值电流达到后，H 桥就会切换导通状态，使得输出电流衰减(快衰减， 慢衰减，或两者的组合)，持续一定固定时间，或等一个 PWM 周期结束。 电流衰减时，驱动IC 无法检测输出电流，从而导致一些问题。 一般来说，最好是用慢衰减，可以得到更小的电流纹波，平均电流能更准 确的跟踪峰值电流。 然而，随着步率增大，慢衰减不能够及时降低绕组电 流，无法保证精确的电流调节。 为了防止采样到开关电流尖峰，在每个 PWM 周期的开始，有一个非常短 的时间(blanking time)是不采样绕组电流的，那么此时的电流就是不受控 制的。这会导致严重的电流波形畸变和电机运行的不稳定(见图 3) 。 图3：慢衰减模式下的电流畸变。 在正弦波达到峰值后，电流先开始衰减，然后又增加，直到 H 桥工作在高 阻状态，电流才继续向零衰减。 为了避免这种情况，许多步进电机驱动芯片，在电流幅值增加的时候采用 慢衰减模式，在电流幅值减小时