雙極步進(jìn)電機(jī)用于許多應(yīng)用，從通過打印機(jī)驅(qū)動(dòng)紙張到移動(dòng)工業(yè)設(shè)備中的XY級(jí)。通常，電機(jī)由廉價(jià)和專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)和控制。不幸的是，這些IC中的大多數(shù)都使用簡(jiǎn)單的電流控制方法，導(dǎo)致電機(jī)電流波形不完善，并導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)質(zhì)量不理想。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部雙向電流檢測(cè)，可提高運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。

雙極步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

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

通常，步進(jìn)器不是用模擬線性放大器驅(qū)動(dòng)的。它們使用PWM電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)IC具有將正弦波分成直線段的離散電流值。這稱為微步進(jìn)。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(shí)踐中，段數(shù)從4到2048或更多不等，大多數(shù)IC步進(jìn)驅(qū)動(dòng)IC實(shí)現(xiàn)4到64段。由于一個(gè)正弦波產(chǎn)生四個(gè)步驟（步進(jìn)電機(jī)中的機(jī)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置取決于流經(jīng)兩個(gè)繞組的電流大小。通常，如果使用步進(jìn)電機(jī)，則需要對(duì)某些機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行精確的機(jī)械定位或精確的速度控制。因此，運(yùn)動(dòng)的精度部分取決于用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)械系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題：

•  在低速或當(dāng)步進(jìn)電機(jī)用于定位應(yīng)用時(shí)，電機(jī)在每個(gè)微步處的步進(jìn)量不同。這會(huì)導(dǎo)致定位錯(cuò)誤。
• 在較高速度下，非線性會(huì)在電機(jī)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(jī)的噪音和振動(dòng)。
   

PWM和衰減模式

大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC依靠步進(jìn)電機(jī)繞組的電感特性來實(shí)現(xiàn)PWM電流調(diào)節(jié)。每個(gè)繞組使用功率MOSFET的H橋布置，在PWM周期開始時(shí)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(huì)改變狀態(tài)以逆轉(zhuǎn)電流積聚。經(jīng)過一段固定的一段時(shí)間后，一個(gè)新的PWM周期開始，H橋再次驅(qū)動(dòng)電流通過繞組。

重復(fù)此過程，因此繞組電流隨狀態(tài)機(jī)和DAC編程的峰值電流上升和下降，DAC為每個(gè)段設(shè)置所需電流。當(dāng)狀態(tài)機(jī)前進(jìn)到下一段時(shí)，調(diào)節(jié)的峰值電流會(huì)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(dòng)繞組電流下降：

• 如果繞組短路（通過同時(shí)打開兩個(gè)低側(cè)或兩個(gè)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(gè)選項(xiàng)稱為慢衰減和快速衰減（見圖2）。

圖2：H橋狀態(tài)

由于電機(jī)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)，希望能夠在很短的時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流變化。不幸的是，還有另一個(gè)因素不利于當(dāng)前的變化。當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，感應(yīng)的電壓與電流（反電動(dòng)勢(shì)）相反。這種反電動(dòng)勢(shì)有效地降低了可用于增加繞組中電流的電壓，因此電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)得越快，通過繞組強(qiáng)制改變電流所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

為了緩解這些問題，必須增加驅(qū)動(dòng)電壓，或者必須降低電機(jī)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(chǎng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC僅在驅(qū)動(dòng)電流通過繞組時(shí)檢測(cè)峰值電流。達(dá)到峰值電流后，進(jìn)入衰減模式（快速衰減、慢衰減或兩者的組合）一段固定的時(shí)間段或直到固定PWM周期結(jié)束。在衰減期間，驅(qū)動(dòng)IC對(duì)電流的作用視而不見。這可能會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)問題。

通常，希望使用慢衰減，因?yàn)樗鸬碾娏骷y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(jìn)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(cuò)誤地感應(yīng)PWM周期開始時(shí)發(fā)生的電流尖峰，總會(huì)有一個(gè)短暫的消隱期，在此期間電流水平被忽略。在此消隱時(shí)間內(nèi)始終驅(qū)動(dòng)繞組的事實(shí)可能導(dǎo)致電流實(shí)際上增加失控 。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電流波形失真和較差的運(yùn)動(dòng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC實(shí)施了慢衰減方案，其中僅在電流遠(yuǎn)離零時(shí)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(dòng)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?yàn)樵诳焖偎p模式下電流紋波增加。這會(huì)導(dǎo)致平均電流水平誤差和較差的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(dòng)更多。這會(huì)導(dǎo)致位置誤差和瞬時(shí)速度變化。當(dāng)電流波形超過零時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似的跳躍。

檢測(cè)雙向電流

傳統(tǒng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)IC使用連接在每個(gè)H橋底部和地之間的外部檢測(cè)電阻，僅在檢測(cè)電壓為正時(shí)測(cè)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(cè)電阻，因此無法測(cè)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(shí)間之外，如果我們?cè)谒p期間監(jiān)控電流，則可以改善步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC中的許多電流調(diào)節(jié)問題。然而，當(dāng)使用外部檢測(cè)電阻測(cè)量電流時(shí)，這可能很困難。

更好的選擇是通過H橋在內(nèi)部檢測(cè)電流，而不是使用外部檢測(cè)電阻。內(nèi)部電流檢測(cè)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(dòng)IC的復(fù)雜性，但內(nèi)部電流檢測(cè)實(shí)際上可以降低系統(tǒng)成本，因?yàn)椴恍枰獠康蜌W姆檢測(cè)電阻。這些電阻器在物理上很大且相當(dāng)昂貴 - 其中兩個(gè)電阻器的成本可能與驅(qū)動(dòng)IC一樣高！

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