兩相雙極型步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析 如何正確選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器？

前言

很多時(shí)候，IC廠商之間對(duì)某些參數(shù)指標(biāo)沒(méi)有明確的規(guī)范，所以，我們?cè)谶x擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，不能完全依賴(lài)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格參數(shù)，它們的定義可能不同，適用情況和現(xiàn)實(shí)情況可能相去甚遠(yuǎn)，有時(shí)甚至是徹頭徹尾的誤導(dǎo)。

我們需要結(jié)合自身應(yīng)用，更深層次的理解和計(jì)算。

正文

今天我將和大家一起共同探討如何正確選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

首先，我們將了解步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，以及如何去驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。

其次，我們將通過(guò)典型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的數(shù)據(jù)手冊(cè)，來(lái)了解步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)。

最后，我們將展示如何理解數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格參數(shù)，并將它們和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系在一起。

在這個(gè)過(guò)程中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你必須要自己做一些工作，而不是相信你在數(shù)據(jù)手冊(cè)上看到的一切!

PART.01

我們先來(lái)了解下步進(jìn)電機(jī)的基本構(gòu)造，以及它是如何運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)的。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的執(zhí)行器。通俗一點(diǎn)講，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，就是我們常說(shuō)的步距角。我們可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制；同時(shí)我們還可以通過(guò)控制 脈沖的頻率 來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

步進(jìn)電機(jī)一般可分為：永磁式步進(jìn)電機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。

永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相電機(jī)，它的轉(zhuǎn)矩和體積都比較小，步距角一般為7.5度或15度；

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相電機(jī)，它可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和震動(dòng)都很大，所以現(xiàn)在基本已經(jīng)被淘汰了；

混合式步進(jìn)電機(jī)混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，一般是兩相或五相電機(jī)，兩相的步距角一般為1.8度，而五相的步距角一般為0.72度。

目前市面上絕大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)使用兩相繞組，因此本文我們將重點(diǎn)研究?jī)上嚯p極型步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。

圖1展示了兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：

永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁性材料制成，N/S極交替分布在轉(zhuǎn)子上；定子由軟磁材料制成，上面分布有兩相勵(lì)磁繞組；定子、轉(zhuǎn)子周邊沒(méi)有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng) 相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

圖1：兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

混合式步進(jìn)電機(jī)的定子一般由8個(gè)磁極構(gòu)成，兩相繞組錯(cuò)開(kāi)纏繞在8個(gè)磁極上，它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，外套軟磁性材料，使得一部分被磁化成N極，另一部分被磁化成S極，定子和轉(zhuǎn)子周邊有小齒和槽。

雖然這兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，但都依賴(lài)于帶有永磁體的轉(zhuǎn)子，通過(guò)改變定子線圈上電流的大小和方向來(lái)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，吸引和排斥帶有永磁體的轉(zhuǎn)子，使得電機(jī)能夠朝著一個(gè)方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

PART.02

我們來(lái)了解下如何驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩相雙極型步進(jìn)電機(jī)。

通常我們采用雙全橋結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)電路。前面我們提到通過(guò)改變定子線圈上電流的大小和方向可以在磁極上感應(yīng)出不同的N/S極，進(jìn)而吸引和排斥帶有永磁體的轉(zhuǎn)子來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。下面我們以整步驅(qū)動(dòng)方式為例，來(lái)看下具體的操作：

首先我們將步進(jìn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化成圖2中左圖示意，以便說(shuō)明。

圖2

當(dāng)A相繞組正向通電時(shí)，也就是圖2中的右圖全橋電路中打開(kāi)Q1和Q4，根據(jù)安培定則，會(huì)在A相定子磁極 上端 感應(yīng)出N極，下端感應(yīng)出S極，轉(zhuǎn)子的S極就被吸引到位置8；B相繞組正向通電時(shí)，也就是打開(kāi)Q5和Q8，會(huì)在B相定子磁極 左端 感應(yīng)出S極，右端感應(yīng)出N極，吸引轉(zhuǎn)子S極到位置2；同理A相繞組反向通電時(shí)，吸引轉(zhuǎn)子S極到位置4；B相繞組反向通電時(shí)，吸引轉(zhuǎn)子S極到位置6；如此循環(huán)，電機(jī)就朝著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。

由此可見(jiàn)，A/B兩相驅(qū)動(dòng)存在90度相位差，就像正弦和余弦的關(guān)系。

當(dāng)然還有一種整部控制方式，在同一時(shí)刻，兩相繞組都會(huì)通電。

A/B兩相正向通電時(shí)，A相定子磁極 上端 感應(yīng)出N極，下端感應(yīng)出S極；B相定子磁極左端感應(yīng)出S極，右端感應(yīng)出N極，轉(zhuǎn)子S極就會(huì)被吸引到位置1。A相繞組負(fù)向通電，B相繞組正向通電時(shí)，轉(zhuǎn)子被吸引到位置3。接下來(lái)依次是位置5和位置7，如此形成矢量閉合。

相較于單相驅(qū)動(dòng)，雙相驅(qū)動(dòng)效率更高，力矩更大，因此在實(shí)際應(yīng)用中較為常見(jiàn)。

步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械步進(jìn)分辨率是由電機(jī)本身結(jié)構(gòu)決定的，準(zhǔn)確的說(shuō)，是由定子和轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)來(lái)決定。

一般來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要16-400個(gè)脈沖信號(hào)，其中每轉(zhuǎn)一圈需要200個(gè)脈沖信號(hào)的步進(jìn)電機(jī)最為常見(jiàn)，它們的定子和轉(zhuǎn)子有50對(duì)極，步距角為1.8度。由于電機(jī)的機(jī)械分辨率受到實(shí)際生產(chǎn)制造的限制，很難再通過(guò)機(jī)械的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)0.9度以下的位置控制。為了進(jìn)一步提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度，我們引入了細(xì)分控制。

前面我們介紹了整步模式下的單相驅(qū)動(dòng)和雙相驅(qū)動(dòng)，當(dāng)我們把這兩種驅(qū)動(dòng)方式交替的結(jié)合在一起，就產(chǎn)生了半步控制。這種控制下 一個(gè)電周期內(nèi)有8個(gè)電氣角位置，比整步模式多了一倍，因此對(duì)于同一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度，半步模式需要的脈沖個(gè)數(shù)也會(huì)比整步多一倍。換句話說(shuō)就是同樣數(shù)量的脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度只有整步的一半，提高了控制精度。

我們將電周期看作一個(gè)圓周，以1/4圓周為例（如圖3），整步模式下驅(qū)動(dòng)的位置有1和9；半步模式下驅(qū)動(dòng)的位置是1，5，9；繼續(xù)按正弦電流調(diào)制，得到了1/4步，增加了位置3和7……以此類(lèi)推，兩相驅(qū)動(dòng)電流被不斷分割得到更小的步進(jìn)增量，這就是微步。

這里我們提一點(diǎn)，以1/8步為例，一個(gè)電周期需要32個(gè)脈沖信號(hào)，而在機(jī)械上一個(gè)電周期電機(jī)僅僅只是轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)對(duì)極。所以對(duì)于一個(gè)50對(duì)極的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果用1/8步電流控制，那么機(jī)械上轉(zhuǎn)過(guò)一圈就要1600個(gè)脈沖！

圖3

PART.03

前面我們說(shuō)到了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制原理，現(xiàn)在我們來(lái)看下不同細(xì)分步數(shù)下的電流控制波形。

如圖4，在整步模式中，只有一個(gè)電流平臺(tái)被驅(qū)動(dòng)，正負(fù)交替，一個(gè)電周期內(nèi)只有4個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)4個(gè)電氣角位置。

在半步模式中，有兩個(gè)電流平臺(tái)，分別是100%電流和70.7%電流，一個(gè)電周期內(nèi)有8個(gè)狀態(tài)；1/4步下有4個(gè)電流平臺(tái)，16種狀態(tài)；以此類(lèi)推…

從驅(qū)動(dòng)電流形態(tài)上看，如果細(xì)分步數(shù)越多，兩相電流越接近正弦和余弦波形，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)更順滑，噪音也會(huì)更小。

圖4

PART.04

我們來(lái)看一下典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC是什么樣的。

圖5是MPS公司一個(gè)典型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的內(nèi)部原理框圖。它包含了基本的電源模塊，兩個(gè)全橋電路，門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，電流采樣電路以及一些邏輯控制單元等。

圖5：MP6500典型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的內(nèi)部原理框圖

這其中還有一個(gè)用于控制步進(jìn)的狀態(tài)機(jī)，我們稱(chēng)之為索引器，門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)狀態(tài)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)后級(jí)功率管開(kāi)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制相電流的大小和方向，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電機(jī)位置控制。

圖6是一個(gè)改進(jìn)型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，它除了前面提到的這些基本模塊以外，還使用了SPI接口，用來(lái)訪問(wèn)故障診斷寄存器和其他功能設(shè)置。此外，這個(gè)改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)器還可以直接測(cè)量電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，可用于轉(zhuǎn)子失速檢測(cè)，或者速度閉環(huán)控制等。

圖6

復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可能還包括運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生器，它可以通過(guò)編程自動(dòng)的將電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)ramp到目標(biāo)速度，也可以通過(guò)一個(gè)指令，一定的步數(shù)，緩慢回到靜止?fàn)顟B(tài)。

PART.05

我們來(lái)看下IC數(shù)據(jù)手冊(cè)。

在典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC手冊(cè)上，我們通常會(huì)在第一頁(yè)看到一個(gè)基本功能列表。上面提到的這些特性都是選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮的。但正如我們稍后將看到的，其中一些特性只能作為參考，不能認(rèn)為它們都適用于你的應(yīng)用。

下面我們來(lái)逐個(gè)查看重要的技術(shù)指標(biāo)（圖7）。

圖7

我們需要關(guān)注的第一個(gè)重要指標(biāo)就是輸入電壓范圍，它表征了這顆IC的最大和最小工作電壓，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓必須落在這個(gè)范圍內(nèi)。

接下來(lái)是輸出電流，它表征了這顆IC驅(qū)動(dòng)負(fù)載 輸出電流的能力。由于芯片廠商之間沒(méi)有明確的規(guī)范，這個(gè)電流可以是持續(xù)電流，峰值電流或者其他形式的電流，所以僅僅盯著這個(gè)電流數(shù)值可能沒(méi)有太大意義，甚至有時(shí)候還會(huì)誤導(dǎo)你。

當(dāng)然在任何情況下，這個(gè)電流值必須等于，或者更有可能大大高于你想要驅(qū)動(dòng)到繞組的電流。

MOSFET的導(dǎo)通阻抗對(duì)于驅(qū)動(dòng)器真正可以提供多少電流至關(guān)重要，它可用于IC發(fā)熱計(jì)算。稍后我們也會(huì)詳細(xì)討論這一點(diǎn)。

接下來(lái)是邏輯接口，不同產(chǎn)品的邏輯接口可能有所不同。

一些步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC具有單獨(dú)的邏輯電源引腳，邏輯高低電平閾值 與該邏輯電源電壓成正比。另外一些則有固定的邏輯閾值。你需要確保邏輯輸入電平與你的系統(tǒng)相兼容 – 假如你的控制器 邏輯高電平 只能驅(qū)動(dòng)到1.8V，那么當(dāng)你使用僅為3.3V 邏輯電平 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器時(shí)，就很有可能會(huì)遇到問(wèn)題。

圖8展示的是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的主要功能。選型之前，你應(yīng)該很清楚你的應(yīng)用需要哪些功能。

圖8

很多時(shí)候我們不需要過(guò)多用不到的功能，因?yàn)楦嗟墓δ芤馕吨叩某杀尽?/p>

一些比較老舊的驅(qū)動(dòng)器使用外部采樣電阻，每個(gè)全橋各需要一個(gè)，以提供控制繞組電流所需的電流反饋。這些電阻又大又貴。較新的驅(qū)動(dòng)器一般都將采樣電阻集成到IC內(nèi)部，這樣不但可以減少外部所需的元件，而且還減小了布板面積。

不同驅(qū)動(dòng)器之間的步進(jìn)模式差異很大，從整步到1024微步都有。從某種程度上講，更精細(xì)的步進(jìn)模式可以使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。但細(xì)分步數(shù)也不是越高越好，因?yàn)樗鼤?huì)受到電機(jī)自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高的細(xì)分要求。實(shí)際應(yīng)用上比較常見(jiàn)的微步有1/8步和1/16步。

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)控制，繞組電流必須得到很好的調(diào)節(jié)。確保這一點(diǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)就是控制電流衰減的時(shí)間。

電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反電動(dòng)勢(shì)，如果管理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致電流波形失真。一些比較老舊的驅(qū)動(dòng)器采用固定比例的“混合衰減”模式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。而比較新的驅(qū)動(dòng)器，帶有內(nèi)部電流檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電流衰減，提供了更高效的電流控制。

保護(hù)功能在電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC中是非常有必要的，它可以在發(fā)生短路或電源故障等問(wèn)題時(shí)保護(hù)IC不受損壞。

在改進(jìn)型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC中通常會(huì)使用SPI接口，會(huì)做更加完善的故障診斷功能，比如電機(jī)失速檢測(cè)，負(fù)載開(kāi)路檢測(cè)等等。

最后，IC的封裝尺寸也是一個(gè)重要的考慮因素。較小的封裝可以節(jié)省PCB布板面積，但較小的封裝通常有較大的熱阻，這意味著它們耗散IC內(nèi)部產(chǎn)生熱量的效率較低。這可能會(huì)限制驅(qū)動(dòng)器可以提供的最大輸出電流。

在后續(xù)探討之前，我們先來(lái)回顧下數(shù)據(jù)手冊(cè)上經(jīng)常會(huì)看到的幾種電流表述。Peak，maximum，continuous，average，RMS，full-scale…

圖9

一般來(lái)說(shuō)，peak current指的是峰值電流，它是觸發(fā)OCP前允許的最大瞬時(shí)電流；maximum一般指的是一個(gè)周期內(nèi)的最大輸出電流；continuous一般指的是持續(xù)的直流輸出電流；average是算數(shù)平均電流；RMS是均方根電流；full-scale是滿量程電流。

實(shí)際上IC廠商之間并沒(méi)有統(tǒng)一 驅(qū)動(dòng)器輸出電流的表述方式。

比如圖9中，波峰時(shí)刻的電流，在一些數(shù)據(jù)手冊(cè)中，被描述成maximum current，peak current或者是full-scale current。但在另一些數(shù)據(jù)手冊(cè)中，這些電流的含義卻是不一樣的。所以，你必須真正理解它們具體指代的意思，而不是停留在術(shù)語(yǔ)本身。

在IC功耗計(jì)算中，我們需要用到RMS電流。整步模式下，繞組電流只被驅(qū)動(dòng)到一個(gè)電流平臺(tái)。所以，在不考慮電流紋波時(shí)，整步下的RMS電流就等于最大電流；而在非整步模式下，你可以用最大電流乘以0.707，來(lái)近似得到RMS電流。

在我們深入了解驅(qū)動(dòng)器 實(shí)際可以輸出多少電流之前，我們需要計(jì)算IC上產(chǎn)生的功耗。

對(duì)于IC總功耗的計(jì)算，我們需要知道全橋電路中功率管的導(dǎo)通阻抗，我們用Rds(on)來(lái)表示。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC中，全橋上管和下管的導(dǎo)通阻抗可能是一樣的，也可能是不一樣的。在電流調(diào)節(jié)期間，絕大多數(shù)時(shí)候，控制器保持全橋一側(cè)下管通，另一側(cè)在PWM，PWM的占空比根據(jù)電源電壓、電流調(diào)節(jié)設(shè)定值和電機(jī)轉(zhuǎn)速等變化。理論上來(lái)說(shuō)，占空比可以在0和100%之間變化，但實(shí)際上大多數(shù)時(shí)候，占空比都是在50%左右變化。

換句話說(shuō)，在電流調(diào)節(jié)期間，始終有兩個(gè)功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流有一半的時(shí)間流過(guò)兩個(gè)下管，另一半時(shí)間流過(guò)一側(cè)的上管和另一側(cè)的下管。

由此我們也可以大致計(jì)算出芯片總的有效導(dǎo)通阻抗，計(jì)算公式為一個(gè)下管的Rds(on) + 上管和下管Rds(on)的平均值：

Effective RDS(ON) = RLS + (RHS + RLS) / 2

例如MPS公司的MP6500，上管Rds(on)為195mΩ，下管為170mΩ，那么可以算出有效導(dǎo)通阻抗為353mΩ；而同類(lèi)其他產(chǎn)品上下管的Rds(on)都為450mΩ，電流路徑上的有效導(dǎo)通阻抗為900mΩ。

考慮到實(shí)際工作中，下管導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)，所以在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，將低邊MOSFET的Rds(on)做的更小一些，是有意義的。

PART.06

可是，有時(shí)候事情并沒(méi)有我們想想的這么簡(jiǎn)單。

事實(shí)上MOSFET的Rds(on)并不是一個(gè)恒定的值，不同芯片之間可能會(huì)存在差異，這就是我們可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)上看到典型值和最大值的原因。對(duì)于最壞的情況分析，我們可以用最大值來(lái)計(jì)算，盡管這是一種比較悲觀的做法，但它絕對(duì)是安全的。

更糟糕的情況是MOSFET的Rds(on)，會(huì)隨溫度變化而變化，這種變化和器件的物理特性相關(guān)，不同的IC工藝都有類(lèi)似的現(xiàn)象。

圖10展示了MP6500兩個(gè)全橋上/下管Rds(on)隨溫度變化的情況。一般來(lái)說(shuō)，150度下的Rds(on)會(huì)比常溫下高50%左右。

圖10

知道了電流路徑下的有效導(dǎo)通阻抗之后，我們就可以來(lái)計(jì)算IC上產(chǎn)生的總功耗了。

它大體可分為三部分，分別是導(dǎo)通損耗，開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)損耗。

當(dāng)然可能還有一部分驅(qū)動(dòng)損耗，這部分損耗非常小，通常可以忽略不計(jì)。有時(shí)候驅(qū)動(dòng)損耗已經(jīng)包含在靜態(tài)損耗中，這取決于IC靜態(tài)電流是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下還是非開(kāi)關(guān)狀態(tài)下測(cè)得的。

導(dǎo)通損耗

計(jì)算公式是：

Resistive Losses：

PR = IRMS2 x RDS(ON)

其中IRMS是流經(jīng)繞組的有效電流，RDS(ON)是電流路徑上MOSFET的有效導(dǎo)通阻抗。

功率損耗

在MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)也有一部分功率損耗，即開(kāi)關(guān)損耗。這個(gè)功耗取決于開(kāi)關(guān)頻率和MOSFET開(kāi)通關(guān)斷時(shí)的轉(zhuǎn)換速率，也就是slew rate。在此期間，MOSFET工作在線性區(qū)域，就像可變電阻一樣。所以這個(gè)功耗可以近似為 (1/2 x 輸入電壓 x 輸出電流 x 開(kāi)關(guān)頻率 x 開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間)：

Switching Losses：

PS ≈ ? x VIN x IRMS x fsw x tR

+ ? x VIN x IRMS x fsw x tF

通常步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC手冊(cè)上不會(huì)標(biāo)明轉(zhuǎn)換速率，但大部分驅(qū)動(dòng)器的上升下降時(shí)間在10nS到100nS之間。所以，如果沒(méi)有明確標(biāo)注的話，我們可以用100nS作為估算。

注意，我們算的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗只是其中一個(gè)全橋的，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中有兩個(gè)全橋，所以以上兩部分損耗，需要乘以2。

靜態(tài)損耗

這部分損耗來(lái)自于芯片內(nèi)部的邏輯供電，門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路等等。數(shù)據(jù)手冊(cè)上會(huì)直接給出IC靜態(tài)電流，我們用輸入電壓乘以靜態(tài)電流就得到了這部分損耗:

Static Losses：

PQ = VIN x IQ

IC內(nèi)部耗散的總功率就是這三部分之和:

Total Power

P = PR + PS + PQ

下面我們用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明IC總功耗。

比如某個(gè)應(yīng)用中，MP6500輸入電源電壓為24V，輸出峰值電流為2A，開(kāi)關(guān)頻率為20kHz。在正弦或者類(lèi)正弦的電流輸出中，2A峰值電流意味著實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)的RMS電流為2A*0.707，即1.414A。前面我們得到了PWM期間，MP6500總的有效導(dǎo)通阻抗為353mΩ，那么就可以算出導(dǎo)通損耗為706mW每個(gè)全橋。我們沒(méi)有在MP6500的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到上升/下降時(shí)間，所以這里我們都用100nS來(lái)近似估算。當(dāng)然slew rate可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到。

根據(jù)公式算得開(kāi)關(guān)損耗為每個(gè)全橋68mW。另外我們?cè)谑謨?cè)中找到靜態(tài)電流為1.5mA，算得靜態(tài)損耗為36mW。三部分損耗相加，我們得到的總功耗約為1.58瓦。需要注意的是，這里我們用到的所有數(shù)據(jù)都是基于常溫下的。

當(dāng)我們知道了IC上消耗了多少功率以后，我們就可以把它和實(shí)際溫度聯(lián)系在一起。IC內(nèi)部硅晶片上的溫度我們稱(chēng)之為“結(jié)溫”，由于我們不能直接測(cè)量結(jié)溫，只能依靠熱仿真或者大體計(jì)算得出。通常，硅晶片的工作溫度是有上限的，一般為150攝氏度。超過(guò)這個(gè)溫度，大多數(shù)芯片就會(huì)關(guān)斷功率級(jí)以保護(hù)IC不被損壞。熱量會(huì)從一個(gè)溫度較高的物體流向一個(gè)溫度較低的物體，就好像電流會(huì)從一個(gè)較高的電壓流向一個(gè)較低的電壓。傳遞受阻力的影響，在熱模型中，我們稱(chēng)之為熱阻。

圖11展示了一個(gè)最基本的熱傳遞模型。硅晶片上產(chǎn)生的熱量有兩條傳導(dǎo)路徑，一條向上傳導(dǎo)，從junction傳遞到case top，再由case top向空氣散熱；另一條向下傳導(dǎo)，從junction傳遞到board，再由board向空氣散熱。

圖11：基本的熱傳遞模型

大多數(shù)IC數(shù)據(jù)手冊(cè)上都標(biāo)注了熱阻參數(shù)。Theta-JA，它表征了熱量從硅晶片向周?chē)諝鈧鬟f時(shí)受到的阻力，它是上述兩條支路的熱阻總和，單位℃/W。所以當(dāng)你知道了IC上消耗的總功率，你就可以通過(guò)功率乘以熱阻再加上環(huán)境溫度計(jì)算出結(jié)溫。

需要說(shuō)明的是，你在數(shù)據(jù)手冊(cè)中看的熱阻參數(shù)都是基于一些標(biāo)準(zhǔn)PCB下的數(shù)據(jù)，其中一種JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)之為JESD-51。JESD-51有幾種標(biāo)準(zhǔn)化的電路板結(jié)構(gòu)，其中IC數(shù)據(jù)手冊(cè)中最常用的是JESD51-7，也就是圖12上展示的這個(gè)。

圖12

JESD51-7約定了板子的尺寸，層數(shù)，銅厚和線寬等等。這是一種相當(dāng)?shù)湫偷腜CB板結(jié)構(gòu)，但它可能與你實(shí)際的PCB有很大不同。

不同PCB的尺寸，層數(shù)和銅厚都會(huì)對(duì)熱阻產(chǎn)生巨大的影響。所以，手冊(cè)上給出的熱阻數(shù)據(jù)只適用于JESD51-7標(biāo)準(zhǔn)下的PCB以及其約定的其他外部條件。

換句話說(shuō)，手冊(cè)上的Theta-JA只能用于同類(lèi)產(chǎn)品之間的橫向比較，而不能用于你PCB上的IC發(fā)熱計(jì)算。

我們用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明不同PCB對(duì)相同功耗下的IC發(fā)熱有多大影響。

圖13中的左邊是MP6500在兩層板上驅(qū)動(dòng)2A峰值電流時(shí)的發(fā)熱情況，我們可以看到殼溫是84度；圖13中的右邊是四層板，其他條件都一樣，殼溫只有56度。差異非常的明顯。

圖13：MP6500 Driving a 2A Peak Stepper Motor

我們知道了如何計(jì)算IC功耗和結(jié)溫，現(xiàn)在我們?cè)倩剡^(guò)頭來(lái)看看手冊(cè)中的標(biāo)稱(chēng)電流。

如圖14所示，MPS公司的MP6500標(biāo)稱(chēng)2.5A 最大電流，同類(lèi)其他產(chǎn)品標(biāo)稱(chēng)2.4A 峰值電流。單從標(biāo)稱(chēng)電流上來(lái)看，有人可能會(huì)認(rèn)為這兩款產(chǎn)品都可以工作在2A峰值電流。

圖14

我們?cè)賮?lái)對(duì)比下它們的熱阻，TSSOP封裝分別是32和30.9，QFN封裝分別是36和40.7?？雌饋?lái)也沒(méi)有太大的差別。

但是，請(qǐng)注意MP6500的有效導(dǎo)通阻抗只有353mΩ，而同類(lèi)“其他產(chǎn)品”卻高達(dá)900mΩ，是MP6500的兩倍多。

我們也來(lái)算一下“其他產(chǎn)品”的總功耗，還是在24V，2A峰值電流下。計(jì)算方法我們前面已經(jīng)講過(guò)了，這里就不再重復(fù)。直接講結(jié)果，我們得出在相同條件下，“其他產(chǎn)品”總功耗是3.86W，而MPS公司的MP6500的總功耗只有1.58W。

再來(lái)看下這兩款產(chǎn)品的結(jié)溫。

以TSSOP封裝為例，都在室溫25度下工作。MP6500的結(jié)溫是75度，同類(lèi)“其他產(chǎn)品”是145度，這幾乎到了熱關(guān)斷的溫度。

但是請(qǐng)不要忘記，剛才我們計(jì)算總功耗時(shí)，用的只是常溫下的Rds (on)數(shù)據(jù)，高溫下Rds(on)會(huì)顯著增加，所以實(shí)際的結(jié)溫肯定比我們拿常溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得到的要高。再考慮到環(huán)溫高一些的應(yīng)用場(chǎng)合，比如烈日下的汽車(chē)內(nèi)，同類(lèi)“其他產(chǎn)品”就根本沒(méi)辦法持續(xù)工作在2A峰值電流。

換一個(gè)角度，我們剛才看到MP6500在兩層EVB上驅(qū)動(dòng)2A峰值電流的殼溫是接近85度，也就是60度的溫升，而MP6500的功耗只有同類(lèi)“其他產(chǎn)品”的41%，那么可以計(jì)算出在同樣的兩層EVB上，同類(lèi)“其他產(chǎn)品”的溫升達(dá)到141度，結(jié)溫更是高達(dá)166度，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了OTP的溫度。

通過(guò)上述對(duì)比，我們可以看出MP6500手冊(cè)上標(biāo)稱(chēng)的2.5A maximum current是常溫下實(shí)實(shí)在在能出的電流，而同類(lèi)“其他產(chǎn)品”很難在常溫下持續(xù)輸出2A最大電流，更不用說(shuō)2.4A。

這也就是為什么我們一直在強(qiáng)調(diào)不能僅僅只看手冊(cè)上的標(biāo)稱(chēng)電流的原因。

通過(guò)熱阻參數(shù)Theta JA，我們也可以反推某一溫度下實(shí)際夠輸出多少電流。

這里你需要解一個(gè)一元二次方程，這和我們之前做的計(jì)算是一樣的，只是反過(guò)來(lái)而已，具體過(guò)程我就不詳細(xì)了。

比如常溫25度下，MP6500在觸發(fā)OTP之前可以持續(xù)輸出2.3A RMS電流，3.2A峰值電流。同類(lèi)“其他產(chǎn)品”只能輸出不到1.5A的RMS電流，2.1A峰值電流。同樣的，這些計(jì)算結(jié)果都是基于常溫下的Rds(on)和靜態(tài)電流，以及JESD51-7標(biāo)準(zhǔn)下的評(píng)估板。

需要強(qiáng)調(diào)的是，我們不認(rèn)為任何IC廠商會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)上發(fā)布不真實(shí)的信息。

同類(lèi)“其他產(chǎn)品”在數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)注2.4A peak current，1.5A full-scale current。通過(guò)剛才的計(jì)算，在室溫下，同類(lèi)“其他產(chǎn)品”很難持續(xù)工作在2A峰值電流。所以，這里的2.4A peak current，我們可以理解為短時(shí)間內(nèi)可以輸出的最大電流，而非持續(xù)輸出的最大電流。

正是因?yàn)楹芏鄷r(shí)候IC廠商之間對(duì)某些參數(shù)指標(biāo)沒(méi)有明確的規(guī)范，所以，我們?cè)谶x擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，就需要結(jié)合自身應(yīng)用，更深層次的理解和計(jì)算。

當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)一款對(duì)IC發(fā)熱要求非常高的產(chǎn)品時(shí)，我們可以使用150度下的Rds(on)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算。結(jié)果可能會(huì)讓你感到失望，也許只有我們上面計(jì)算的一半，但這正是我們需要考慮的。

PART.07

綜上所述，關(guān)于如何選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，我的一些小建議：

第一，不能完全依賴(lài)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格參數(shù)，它們的定義可能不同，適用情況和現(xiàn)實(shí)情況可能相去甚遠(yuǎn)，有時(shí)甚至是徹頭徹尾的誤導(dǎo)!

第二，為了確定選擇的驅(qū)動(dòng)器是否適合你的應(yīng)用，你需要使用MOSFET的導(dǎo)通阻抗和IC的熱特性參數(shù)等，進(jìn)行估算。

第三，將PCB結(jié)構(gòu)，環(huán)境溫度，周?chē)崆闆r等納入你的考慮。

最后，我們來(lái)做個(gè)簡(jiǎn)短的回顧：

今天我們一起了解了典型的兩相雙極型步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，如何去驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，我們講到了細(xì)分控制原理，逐個(gè)查看了手冊(cè)上的主要技術(shù)指標(biāo)，以及如何計(jì)算IC損耗并將它和溫度聯(lián)系在一起。

希望我的講解對(duì)大家今后在選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)有所幫助。

審核編輯：劉清