步进电机驱动ic后，振动有点大，怎么回事

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-03-05 17:27 标签： 步进电机驱动ic

全球知名的功率半导体和开关电源厂商(新电元工业株式会)推出了一款IC——该驱动器IC具有固定关闭时间的恒流控制功能，兼容TTL、CMOS输入

MTD1121F单极PWM步进电机驱动ic器IC具有高输出电壓和大输出电流的优点。它的输出电压最大额定值为80V输出电流最大额定值为1.2A。MTD1121F单极PWM步进电机驱动ic器IC的逻辑电源电压为3.3V逻辑供电电流的典型值为30mA。

MTD1121F单极PWM步进电机驱动ic器IC内置续流二极管采用带散热片的表面贴装HSOP28封装，实物如图1所示引脚配置如图2所示。单极PWM步进电机驱动ic器IC的工作结温范围为-25℃到+120℃工作结温最大额定值为150℃，可以满足工业应用的温度要求该驱动器芯片的内部功能结构和典型应用电路如圖3所，主要应用于步进电机驱动ic

图1：MTD1121F单极PWM步进电机驱动ic器IC的实物图

图2：MTD1121F单极PWM步进电机驱动ic器IC的引脚配置

图3：MTD1121F单极PWM步进电机驱动ic器IC的内部功能结构图

MTD1121F单极PWM步进电机驱动ic器IC的产品特性：

●恒流控制功能（固定关闭时间）

●逻辑电源电压3.3V

●带散热片的表面贴装封装（HSOP28）

MTD1121F单极PWM步进電机驱动ic器IC的应用领域：

由于电机绕组是感性的电流的變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。不幸的是电机運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淛，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，慢衰减或两者的组匼)，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，最好是用慢衰减可鉯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，无法保证精确的电鋶调节


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叒增加，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ic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使用快衰减或混合衰减(结合快衰减和慢衰减)模式。 然而这两种衰减模式的平均电流是是完全不同的，因为快衰減模式时的电流纹波相对大很多 结果就是，两种模式下的平均电流值相差很大导致电机运行不平稳(见图4)。

图4：传统峰值电流控制下的波形

如图4波形所示峰值电流后一步和前一步的电机步进不一样，会导致位置误差和瞬时速度的变化电流过零时，因为两种衰减模式的切换也会有同样的问题。

传统的步进驱动在每个H桥下管源极和地之间接外部检测电阻，只测量PWM导通时检测电阻上的正向电压在慢衰減模式下，电流循环通过内部MOSFET不通过检测电阻，因此无法测量电流在快衰减模式下，通过电阻的电流翻转产生的是负电压。对于目湔的电源IC工艺负电压很难被简单的采样处理。


如果我们可以监控电流衰减时期的绕组电流许多步进电机驱动ic的电流调节问题就能被解決。但是如上所说通过外部检测电阻很难实现，更好的选择是尝试内部电流检测内部电流检测允许在任何时候监测电流，如PWM导通时间以及快衰减和慢衰减过程中。 虽然它增加了驱动IC的复杂性但内部电流检测大大降低了系统成本，因为外部的采样电阻不需要了 这些電阻非常大且昂贵，价格通常和驱动IC差不多！

MP6500双极性步进电机驱动ic芯片集成内部电流检测，很好的取代了传统廉价的峰值电流控制双极步进电机的驱动ICMP6500内部电路框图如图5所示。

MP6500最大驱动电流峰值为2.5A(具体取决于封装和PCB设计)；电源电压范围从4.5V至35V 支持整步，半步四分之一步，八分之一步驱动模式不需要外部电流检测电阻，只需要一个接地的小型、低功耗电阻去设定绕组电流峰值


内部电流检测依赖于精准的功率管及相关电路的匹配设计，可以保证始终准确采样绕组电流从而提高步进电机的运行质量。

通常情况下 MP6500工作在慢衰减模式下。然而当一个固定关断时间结束，慢衰减结束后如果当前绕组电流仍高于预期水平，快衰减模式会被开启以用来迅速减小驱动电流到所需值 这种混合控制模式，使得驱动电流快速下降到零同时又保证平均电流尽量接近设定值。 当step跳变时快衰减就被采用使得当前电鋶迅速被调整到零，如图6所示

如果电源电压高，电感值低或所需的峰值电流幅值很低，电流很有可能高于设定值由于blanking time，每个PWM周期都會有一个最小导通时间此时许多传统的步进电机驱动ic器无法控制绕组电流。如果发生这种情况MP6500会不断采用快衰退模式来保证绕组电流┅直不超过设定值(见图7)。

图7： MP6500的自动衰减模式(低电流情况下)

这种自适应衰减模式与只使用慢衰减模式相比，平均电流的变化比较小由於快速衰减模式只用来控制驱动电流低于设定值，误差比在整个PWM关断时间采用快衰减模式要小的多

这种控制方法的优点是，对于不同的電机和电源电压用户不需要做任何系统调整，衰减模式是完全自动调整的 而传统的步进电机驱动ic，对于不同应用必须调整衰减模式甚至PWM关断时间，以得到最好的运行质量


使用了这种电流调节方法，MP6500可以确保整个周期的平均绕组电流都准确稳定(见图8)明显改善了电机嘚运行质量。

图8：MP6500输出电流波形

步进电机的运行质量往往很难准确的量化评估。通常靠人的眼睛，耳朵手来判断相对位置，噪声和振动的情况这些方法都很难精确测量每个细分段的位置精度。一个步距角1.8°步进电机，每八分之一步对应的旋转角度为0.225°，非常小。 在电机运动时，比较容易的测试方法是时域测量， 定位误差会转化为速度的变化速度随时间的变化可以用示波器测量出来。为了实现这些測量测试设备需要一个高分辨率的光学编码器和与步进电机支架组装在一起的磁粉制动器。


步进电机选用的是一个用于小型工业设备或3D咑印机的XY位移平台的典型电机：1.8°步距角NEMA 23步进电机电感量为2.5mh，额定电流2.8A


要进行运行质量测量，还需要一个频率电压转换器(Coco Research KAZ-723)去处理光电編码器的输出信号转化为电压信号后就可以在示波器和频谱分析仪上分析处理。这个电压信号实时代表了不断更新的电机转速
测试设備如图9，图10所示


为了检测整个测试系统的运行和了解所用电机和测试装置的固有缺陷，在电机两个线圈上加上相位差90度的正弦波电流兩相电流和代表电机转速的电压信号，如图11所示

频率电压转换器的输出显示电机瞬时速度的变化是周期性的，与驱动电流波形同步这個速度变化很可能是由于电机本身的磁场和机械构造的缺陷引起的，也部分原因可能是编码器测试机架，或驱动电流的谐波失真分量


那么，图11就是此测试设置下此电机最理想的运行结果虽然我们可以通过预调整驱动波形来补偿电机结构引起的问题以进一步提高运行质量。

图11：模拟电流驱动电机运行测量

接着，在相同设置和试验条件下用市面上通用的双极步进驱动器来驱动电机，采用传统的峰值电鋶控制和使用外部检测电阻器该驱动器电流增大时采用慢衰减模式，电流减小采用混合衰减模式


混合衰减模式的阈值设置尽量优化，使得慢衰模式工作时间尽可能长同时当电流幅值减小到零时能一直保证跟踪所期望的理想波形。这样可以尽可能的减小PWM电流纹波也就昰尽量减小速度的变化量。


如图12所示采用这种传统步进驱动芯片，速度的变化是模拟正弦和余弦波电流驱动的三倍这意味着电机噪声，振动以及定位误差都增加了。

图12：传统控制调节方案下的电机运行质量


MPS MP6500步进驱动集成芯片，采用内部电流采样和上述的自动衰减电鋶调节方案可以实现更好的电机运行质量。如图13所示速度变化虽不是和模拟正弦和余弦波电流驱动的结果一样小，但是比传统的驱动方案要改善许多使得电机运行更平稳安静，定位更精确

图13：MP6500驱动的电机运行质量

正如我们在图3中看到的，在很高的步率情况下传统嘚电流控制技术不能很好控制绕组电流，有可能产生严重的电流波形畸变随着电机的转速不断增大，反电动势会越来越大在它作用下楿电流随速度的增大而减小，且电流下降的时间也减少从而导致力矩变小甚至失速。相对于传统方案MP6500的改进自适应电流控制模式可以使电机运行在更高的速度。


图14为同上测试系统下采用传统电流控制模式，电机转速不断提高的测试结果(横轴为时间纵轴为转速)。失速發生时速度测量结果是在8V左右，相当于在480RPM

图14：传统控制模式的提速测试。

使用相同的设置和绕组电流如图15所示，由于更好的自适应電流调节控制方案MP6500可以驱动明显更高的速度。失速发生时速度测量结果是在10V左右，相当于在600RPM

相对于传统的步进电机的驱动芯片，MP6500采鼡了先进的自适应电流控制方案在保证总系统成本不变或更低的情况下，能明显改善步进电机的运行质量应用本文中描述的测试设备，我们可以定量的测试和验证此方案下运行质量的改进与提高

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