關(guān)于MP6500/MP6600自適應(yīng)電流控制方案的介紹和應(yīng)用

雙極步進(jìn)電機(jī)廣泛用于許多應(yīng)用中，從打印機(jī)到工業(yè)設(shè)備中的移動(dòng)XY工作臺(tái)。通常情況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)都采用較廉價(jià)的專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制，簡(jiǎn)單的電流控制方法使電機(jī)的電流波形不理想、電機(jī)運(yùn)行精度不高。

現(xiàn)在，通過(guò)在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部集成雙向電流采樣，能有效提高電機(jī)運(yùn)行控制精度，同時(shí)比傳統(tǒng)解決方案降低了系統(tǒng)成本。

PWM控制和電流衰減模式

大多數(shù)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，依靠步進(jìn)電機(jī)繞組的電感特性實(shí)現(xiàn)PWM電流調(diào)節(jié)。通過(guò)每個(gè)繞組對(duì)應(yīng)的功率MOSFET組成的H橋電路，隨著PWM控制開(kāi)始，電源電壓被加到電機(jī)繞組上，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流。一旦電流達(dá)到設(shè)定值，H橋就會(huì)切換控制狀態(tài)，使得輸出電流衰減。一定固定時(shí)間后，一個(gè)新的PWM周期又會(huì)開(kāi)始，H橋再次產(chǎn)生線圈電流。

重復(fù)這一過(guò)程，使繞組電流上升和下降。通過(guò)電流采樣和狀態(tài)控制，可以調(diào)節(jié)控制每一段細(xì)分的峰值電流值。

在預(yù)期的峰值電流達(dá)到后，H橋驅(qū)動(dòng)繞組的電流衰減控制方式有兩種：

繞組短路（同時(shí)開(kāi)通低側(cè)或高側(cè)的MOSFET），電流衰減慢。

H橋反向?qū)?，或允許電流通過(guò)MOSFET的體二極管流通，電流衰減快。

這兩種電流衰減方式稱為慢衰減和快衰減（見(jiàn)圖1）。

圖1：H橋工作狀態(tài)

傳統(tǒng)峰值電流控制的問(wèn)題

傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)峰值電流控制，通常只檢測(cè)通過(guò)線圈的峰值電流。當(dāng)預(yù)期的峰值電流達(dá)到后，H橋就會(huì)切換導(dǎo)通狀態(tài)，使得輸出電流衰減（快衰減，慢衰減，或兩者的組合）。

選擇慢衰減，可以得到更小的電流紋波，平均電流能更準(zhǔn)確的跟蹤峰值電流。然而，隨著步率增大，慢衰減不能夠及時(shí)降低繞組電流，無(wú)法保證精確的電流調(diào)節(jié)。

為了此情況，許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，在電流幅值增加的時(shí)候采用慢衰減模式，在電流幅值減小時(shí)使用快衰減或混合衰減（結(jié)合快衰減和慢衰減）模式。然而，因?yàn)榭焖p模式時(shí)的電流紋波相對(duì)大很多，導(dǎo)致兩種模式下的平均電流值相差很大，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)（見(jiàn)圖2）。電流過(guò)零時(shí)，因?yàn)閮煞N衰減模式的切換，也會(huì)有同樣的問(wèn)題。

圖2：傳統(tǒng)峰值電流控制下的波形

內(nèi)部電流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)雙向電流采樣

傳統(tǒng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，在每個(gè)H橋下管源極和地之間接外部檢測(cè)電阻，只測(cè)量PWM導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)電阻上的正向電壓。在慢衰減模式下，電流循環(huán)通過(guò)內(nèi)部MOSFET，不通過(guò)檢測(cè)電阻，因此無(wú)法測(cè)量電流。在快衰減模式下，通過(guò)電阻的電流翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的是負(fù)電壓。對(duì)于目前的電源IC工藝，負(fù)電壓很難被簡(jiǎn)單的采樣處理。

內(nèi)部電流檢測(cè)允許在任何時(shí)候監(jiān)測(cè)電流，如PWM導(dǎo)通時(shí)間，以及快衰減和慢衰減過(guò)程中。雖然它增加了驅(qū)動(dòng)IC的復(fù)雜性，但內(nèi)部電流檢測(cè)大大降低了系統(tǒng)成本，因?yàn)橥獠康牟蓸与娮璨恍枰耍@些電阻非常大且昂貴，價(jià)格通常和驅(qū)動(dòng)IC差不多！

MP6500/MP6600步進(jìn)驅(qū)動(dòng)IC自適應(yīng)電流控制方案

MPS公司的MP6500系列雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，集成內(nèi)部電流檢測(cè)，很好的取代了傳統(tǒng)廉價(jià)的峰值電流控制雙極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)IC。不需要外部電流檢測(cè)電阻，只需要一個(gè)接地的小型、低功耗電阻去設(shè)定繞組電流峰值。內(nèi)部電流檢測(cè)依賴于精準(zhǔn)的功率管及相關(guān)電路的匹配設(shè)計(jì)，可以保證始終準(zhǔn)確采樣繞組電流，從而提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。

通常情況下， MP6500工作在慢衰減模式下。然而，當(dāng)一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間結(jié)束，慢衰減結(jié)束后，如果當(dāng)前繞組電流仍高于預(yù)期水平，快衰減模式會(huì)被開(kāi)啟以用來(lái)迅速減小驅(qū)動(dòng)電流到所需值。這種混合控制模式，使得驅(qū)動(dòng)電流快速下降到零，同時(shí)又保證平均電流盡量接近設(shè)定值。

當(dāng)step跳變時(shí)，快衰減就被采用使得當(dāng)前電流迅速被調(diào)整到零，如圖3所示。如果電源電壓高，電感值低，或所需的峰值電流幅值很低，電流很有可能高于設(shè)定值。由于blanking time，每個(gè)PWM周期都會(huì)有一個(gè)最小導(dǎo)通時(shí)間，此時(shí)許多傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器無(wú)法控制繞組電流。如果發(fā)生這種情況，MP6500會(huì)不斷采用快衰退模式來(lái)保證繞組電流一直不超過(guò)設(shè)定值（見(jiàn)圖4）。

圖3：MP6500的自動(dòng)衰減模式（step跳變時(shí)）

圖4：MP6500的自動(dòng)衰減模式（低電流情況下）

這種自適應(yīng)衰減模式與只使用慢衰減模式相比，平均電流的變化比較小。由于快速衰減模式只用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電流低于設(shè)定值，誤差比在整個(gè)PWM關(guān)斷時(shí)間采用快衰減模式要小的多。

這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于不同的電機(jī)和電源電壓，用戶不需要做任何系統(tǒng)調(diào)整，衰減模式是完全自動(dòng)調(diào)整的。而傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于不同應(yīng)用，必須調(diào)整衰減模式甚至PWM關(guān)斷時(shí)間，以得到最好的運(yùn)行質(zhì)量。

使用了這種電流調(diào)節(jié)方法，MP6500可以確保整個(gè)周期的平均繞組電流都準(zhǔn)確穩(wěn)定（見(jiàn)圖5），明顯改善了電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。

圖5：MP6500輸出電流波形