深入理解步進電機驅(qū)動的續(xù)流衰減模式

步進電機是一種控制簡單、使用方便的位置開環(huán)電機，廣泛應用于辦公自動化、安防監(jiān)控、3D打印和汽車電機等領(lǐng)域。電機驅(qū)動芯片是包含了速度控制、力矩控制、位置控制及各種保護等功能的集成電路，根據(jù)輸入信號，按照內(nèi)置的算法邏輯控制電機的運轉(zhuǎn)。步進電機驅(qū)動芯片決定著電機運轉(zhuǎn)效果，也就是步進電機運行的平穩(wěn)性、振動和噪音。對這些性能影響非常大但又難以理解的就是續(xù)流Current Recirculation的控制。

本文從基礎(chǔ)電機等效模式介紹開始，深入闡述續(xù)流各衰減模式Decay Mode的理解、各自優(yōu)缺點和適用性、與剎車Brake的差異等，以此進行更為復雜靈活的續(xù)流控制，就更能夠適應不同參數(shù)的電機，從而達到電機平穩(wěn)性與振動和噪音的最優(yōu)效果。最后以Chipown高性能步進電機驅(qū)動芯片PN7781系列為例，說明續(xù)流衰減模式的靈活控制。

?電機等效電路?

圖1 電機(一相)等效電路

如圖1所示，步進電機（以常見的雙極性）包含兩個線圈，以電機單線圈為例說明等效電路，其可以等效于三部分組成：線圈內(nèi)阻RM、線圈電感L和電機反電動勢BEMF。

其中BEMF電壓等于反電動勢常數(shù)Kt乘以轉(zhuǎn)速(Hz)，即和電機轉(zhuǎn)速成正比。圖中也考慮到驅(qū)動芯片的高低邊內(nèi)阻RDSON，所以驅(qū)動Drive階段的基本等效電路如圖1所示，等效公式：?

一般來說由于內(nèi)阻較小，I*R電壓一般較小，當電機處于啟動階段轉(zhuǎn)速很小，反電動勢很小，則大部分電壓會加載到L*di/dt，電流急速上升。而當電機處于最高轉(zhuǎn)速時，反電動勢最大，電感電壓則最小，電流變化相對較小。

?什么是電機電流的續(xù)流衰減??

?

圖2 續(xù)流、異步和同步續(xù)流

如圖2所示，以單個線圈驅(qū)動的全橋電路為例，首先AH、BL的MOS打開，電流從VM由左往右到地，這是電機驅(qū)動Drive階段，當電流達到設(shè)定電流值時，關(guān)閉所有MOS，此時線圈電感效應，電流會繼續(xù)從左到右流動并衰減Decay。

電流衰減的兩種途徑

1? 異步衰減

通過MOS的體二極管衰減，如圖二中示意，由地到VM，這是異步衰減。

2??同步衰減

通過打開斜對角的BH、AL的MOS，電流還是由地到VM，這稱為同步衰減。

這種異步衰減和同步衰減的途徑就是電流續(xù)流(Current Recirculation)。

顯而易見，異步衰減經(jīng)過MOS體二極管，壓降大所以損耗(2*I*VD)也大，而同步衰減經(jīng)過MOS的Rdson，一般內(nèi)阻較小所以損耗(I^2*Rdson*2)也小。后文主要以同步衰減來說明。

為方便下文，先介紹下電機驅(qū)動和電流衰減的幾個關(guān)鍵參數(shù)?– ITRIP、tDRIVE、tBLANK、tOFF。

圖3 關(guān)鍵參數(shù)說明

如圖3所示，黃虛線ITRIP就是本時段內(nèi)驅(qū)動芯片設(shè)定的電流值，ITRIP按照步進電機細分控制所需的電流臺階而變化，圖3就是一段電流臺階往上增長的例子。

tDRIVE是驅(qū)動階段的時間，這里需要注意起始有個tBLANK消隱時間（一般幾個us以內(nèi))，主要是為了避開（不檢測）MOS管打開時刻的電流噪音毛刺，防止誤觸發(fā)過流保護。

可以理解的是tBLANK太小起不了作用，太大則可能導致后續(xù)的tDRIVE不足，特別是在一個電流正弦周期內(nèi)所需tBLANK不同，若簡單一個固定值，則電流波形過零點失真明顯。

tOFF則是整個電流續(xù)流時段。tOFF時間到期后，H橋重新啟用，開始另一個PWM循環(huán)。

電流續(xù)流的衰減模式

電流續(xù)流的三種控制模式

1??慢衰減 Slow Decay

2??快衰減 Fast Decay

3??混合衰減 Mixed Decay

注：這里的所謂“快”“慢”是指續(xù)流期間電流衰減到零的相對速度。

1慢衰減 Slow Decay

圖4 慢衰減 Slow Decay

首先正常驅(qū)動Drive階段，如圖4紅色電流方向（AH、BL打開)，然后關(guān)掉AH、BL，并打開下橋臂的AL、BL兩個驅(qū)動管，電流繼續(xù)從左往右經(jīng)過線圈順時針閉環(huán)衰減，如圖4藍色電流。

對應的電機相電流波形是先驅(qū)動Drive階段上升，如圖4右示，當相電流上升到預設(shè)的ITRIP閾值或以上時，就進入續(xù)流階段。

若經(jīng)過tBLANK時間后相電流已經(jīng)到達（或超過）ITRIP閾值時，就沒有后續(xù)的Drive階段而直接進入續(xù)流階段，如圖4波形圖的第二個PWM周期。所以tBLANK決定了PWM驅(qū)動信號最小的ON時間。

綜上，慢衰減模式主要是通過下橋臂的兩個驅(qū)動管來續(xù)流。

圖5 慢衰減等效電路

在該階段，也就是PWM周期的OFF時間段內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速變化不大，即反電動勢變化不大。從圖5等效電路來看，相當于VM接地，此時電感電壓：

但極性反向，VL值不會超過VM（驅(qū)動Drive階段VM=I*R+VBEMF+VL，即I*R+VBEMF=VM-VL>0)，所以IDECAY下降斜率相對緩慢。

2?快衰減 Fast Decay

圖6 快衰減 Fast Decay

先正常驅(qū)動Drive階段，如圖6紅色電流方向（AH、BL打開)，然后關(guān)掉AH、BL，并打開斜對稱的BH、AL兩個驅(qū)動管，電流繼續(xù)從左往右經(jīng)過線圈、從地端到電源VM端快衰減，如圖中藍色電流方向。

對應的相電流波形如圖6右所示，是先驅(qū)動Drive階段，然后快衰減直到零，并保持（如把全橋驅(qū)動管都關(guān)掉)，不會出現(xiàn)反向電流。圖中只是舉例示意，并不是指快衰減都能在續(xù)流時間內(nèi)到零。

綜上，快衰減模式主要是通過斜對角的兩個驅(qū)動管來續(xù)流。

圖7 快衰減等效電路

對于快衰減續(xù)流階段等效電路，如圖7所示。需要注意，此時VM反向加載于電機，快衰減階段的電感電壓：

相比于慢衰減階段的電感電壓(I*R+VBEMF)大很多，所以IDECAY下降速度最快，也就是稱之為“快” 衰減。可以理解的是快衰減較適合大電感電機，而慢衰減較適合小電感電機。

3混合衰減 Mixed Decay

圖8 混合衰減 Mixed Decay

先正常驅(qū)動Drive階段，如圖8紅色電流方向（AH、BL打開)，然后關(guān)掉AH、BL，并打開斜對稱的BH、AL兩個驅(qū)動管快衰減，經(jīng)過一段時間TDECAY后，關(guān)掉BH并打開BL（此時AL保持打開)，電流繼續(xù)從左往右經(jīng)過線圈順時針的慢衰減。對應的相電流波形是先驅(qū)動Drive階段，然后先快衰減，持續(xù)TDECAY時間，接著切換到慢衰減。

混合衰減模式下相電流的紋波介于快衰減和慢衰減之間。TDECAY時間可根據(jù)電機及應用場景來設(shè)置調(diào)整。

綜上，統(tǒng)籌考慮tBLANK、tDRIVE、tOFF、TDECAY及PWM周期等時間的控制，來確保電機相電流有效地、及時地控制到當前設(shè)定的ITRIP閾值，以達到精確的快速響應的電流環(huán)控制。

相對來說，慢衰減較為適合相電流上升期，快衰減較為適合相電流下降期，而混合衰減介于兩者之間。

表1 續(xù)流各模式對比 ?

表1是三種衰減模式的優(yōu)缺點對比。對于相對復雜的控制，可以在相電流上升和下降期，采用不同衰減模式；而對于更復雜的控制，可以進一步控制PWM周期、tBLANK、tDRIVE、tOFF等時間來達到最優(yōu)化效果。

?慢衰減就是電機剎車Brake嗎？

經(jīng)常有工程師混淆了慢衰減和剎車兩個概念，這里詳細解釋下區(qū)別。續(xù)流是PWM的tOFF時間段，時間非常短，比如芯片PN7781采用固定20us，而電機剎車的時間相對會長很多，從毫秒到秒。兩者時間級上完全不一樣。

在續(xù)流階段時間內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速變化非常小，基本可以忽略反電動勢VBEMF的變化。當電機從正常驅(qū)動Drive階段到把全橋驅(qū)動管全部關(guān)掉OFF，如圖9所示，此時若考慮MOS體二極管則繼續(xù)異步衰減，續(xù)流結(jié)束后電機就是完全開路狀態(tài)，反電動勢能量無處釋放，只有電機本身的摩擦阻力讓電機緩慢停下來。

圖9 慣性運轉(zhuǎn) Coasting

而對于剎車，如圖10所示，電機從正常運行狀態(tài)切換到只打開下橋臂驅(qū)動管并保持住，在剎車前（驅(qū)動階段結(jié)束）時刻：

此時轉(zhuǎn)速最大則VBEMF最大，電感電壓忽略，電機相電流近似于：

切換后，也就是和慢衰減一樣的電路，電機相電流先慢續(xù)流直到零。然后電機自身的反電動勢通過低邊驅(qū)動管形成回路，相當于發(fā)電機，電流反向，如圖10中間的紅色剎車電流。

圖10? 剎車 Braking

對于剎車過程的等效電路分析，如圖10右所示：

電流IBRAKE從0開始迅速增大到最大，VL迅速從此刻（VL=VBEMF）降低到0，但是在這個短時間段內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速變化很小，所以反電動勢略微降低，VBEMF仍然較大。此時刻（VL降到0時）剎車電流最大：

相比較于剎車前時刻的相電流：

IBRAKE可能是幾倍于IDRIVE，這就是我們常見的剎車電流尖峰非常大，極性相反。特別是在高轉(zhuǎn)速下的急剎車可能會觸發(fā)驅(qū)動芯片過流OCP保護。

以上就是電機續(xù)流控制的詳細說明及各衰減模式的差異理解。在市面上能真正發(fā)揮續(xù)流衰減模式性能的驅(qū)動芯片較少，而芯朋微最新推出的高性能步進電機驅(qū)動產(chǎn)品系列PN7781就詮釋了如何靈活優(yōu)化續(xù)流的控制。

高性能步進電機驅(qū)動--PN7781

PN7781是一款集成電流檢測（無需外部功率電阻采樣，節(jié)省面積和成本)、帶1/16細分（細分可選）的高性能步進電機驅(qū)動芯片，適用電機電壓高達37V，電流支持1.5A峰值，內(nèi)部帶細分控制邏輯，只需要簡單STEP/DIR控制接口，并集成全面復雜的保護功能。

PN7781TG-A1

芯片特征

●?步進電機集成驅(qū)動

寬電壓范圍：8V～37V

每個H橋電流：1A持續(xù)電流（1.5A峰值)

低導通電阻：0.86Ω（高邊+低邊）

●?STEP/DIR輸入接口，控制簡單

●?六種步進模式，最高支持1/16細分

●?慢速衰減和混合衰減模式運行中可調(diào)整（四種選擇）

●?集成電流檢測功能：無需檢測電阻

●?低睡眠電流：IVCC_SLEEP <20uA

●?異常保護功能：電源欠壓保護(UVLO)，電荷泵欠壓(CPUV)過溫保護(OTP)，過流保護(OCP)，故障指示引腳(nFAULT)

PN7781非常適用于辦公設(shè)備（如打印機、掃描儀)、3D打印、安防監(jiān)控IPC和醫(yī)療設(shè)備等步進電機。

圖11 PN7781典型應用

其中PN7781一大特色功能是續(xù)流多種衰減模式及靈活設(shè)置（運行中可實時調(diào)整)，可以適配及優(yōu)化驅(qū)動不同參數(shù)的步進電機，以達到最佳的運行性能。?

表2 PN7781 Decay管腳設(shè)置電壓

如表2，PN7781通過四態(tài)電平DECAY管腳設(shè)置電壓范圍，來選擇續(xù)流衰減模式。

其中慢衰/混合衰減模式是在電流上升階段使用慢衰減，在電流下降階段使用混合衰減。用戶可根據(jù)實際使用的電機參數(shù)，以及實際測試的平穩(wěn)性及震動、噪音等水平，來設(shè)置匹配最優(yōu)的衰減模式。

同時，如上文談到的tBLANK消隱時間，PN7781采用先進的自適應消隱時間。

圖12 PN7781消隱時間

如圖12所示，基于正弦指數(shù)和TRQ設(shè)置自動匹配tBLANK時間，通過在小電流臺階上減少消隱時間，有效改善電流波形過零點附近的失真。

綜上，PN7781采用自適應的消隱時間配合續(xù)流多種衰減模式的靈活控制，可以適配各參數(shù)的步進電機，很好地平衡步進電機平滑穩(wěn)定性、噪音和震動，明顯提升終端產(chǎn)品的運動（機械傳動）性能。

表3 Chipown步進電機驅(qū)動產(chǎn)品系列

此外，芯朋步進電機系列產(chǎn)品豐富，從低壓到中高壓，從性價比的簡單控制到高性能步進電機驅(qū)動齊全，如表3所示。

產(chǎn)品基本覆蓋各類型應用所需步進電機，用戶可以按需要選擇合適方案（其中集成細分是指芯片內(nèi)部集成細分控制的邏輯，只需要脈沖輸入STEP腳控制即可。而對普通步進電機驅(qū)動產(chǎn)品，也可以通過PWM輸入的軟件方法實現(xiàn)細分控制）。

審核編輯：湯梓紅