雙極型步進電機的斬波驅(qū)動電路設計

韓俊奇，徐建華，張明星，王良坤

（1.中國科學院大學，北京 100049；2.中國科學院微電子研究所，北京 100029；3.杭州中科微電子有限公司，浙江 杭州 310053）

0 引言

步進電機作為控制執(zhí)行元件，它的無累積誤差[1]等特點使其在數(shù)字控制系統(tǒng)、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應用，它的性能主要取決于驅(qū)動器的設計。驅(qū)動器中多采用斬波驅(qū)動技術(shù)以提高步進電機輸出轉(zhuǎn)矩和電源利用效率，其電路設計的好壞決定著角度細分中微步步距角的精度。在傳統(tǒng)的斬波驅(qū)動器設計中，電路結(jié)構(gòu)復雜，精度不高。本文設計了一款基于0.35 μm BCD工藝實現(xiàn)的斬波驅(qū)動電路，精確度高、功耗低且可直接由數(shù)字控制實現(xiàn)角度細分。

1 斬波驅(qū)動系統(tǒng)設計

斬波驅(qū)動電路系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，包括電流檢測電路、斬波邏輯控制電路、功率放大電路，其中功率放大電路由柵極驅(qū)動級電路和H橋電路組成。當電流檢測電路檢測到電機線圈電流達到額定值后復位SR鎖存器，使線圈電流進入衰減狀態(tài)，開關(guān)K0打開，外接RC振蕩器衰減到VL電壓后置位SR鎖存器，線圈電流重新進入充電狀態(tài)。上述過程不斷重復，使線圈電流在斬波意義上逼近恒定值。

圖1 斬波橫流驅(qū)動系統(tǒng)電路

對于斬波驅(qū)動電路來說，斬波電流精度和功耗是兩個重要指標，斬波電流精度主要受電流檢測電路精度影響，功耗主要由功率放大電路設計的好壞決定。因此電流檢測電路和功率放大電路的設計是整個系統(tǒng)設計的關(guān)鍵。

2 電流檢測電路設計

電流檢測有多種實現(xiàn)方式[2]，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)電阻法，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、精度高且無帶寬限制。由于電機相電流會達到安培量級，出于對功耗和功能的考慮，串聯(lián)電阻RS阻值較小，采樣電壓VS限制在很小的范圍內(nèi)。

微步細分[3]的傳統(tǒng)設計常采用DAC將量化的正弦波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬參考電壓VREF，再通過比較器比較VREF與VS的相對大小，進而控制相電流形成按正余弦規(guī)律變化的階梯波，由于采樣電壓Vs值很小，對比較器精度有很高要求。

針對上述問題，本文提出了一種改進型的電流檢測電路。如圖2所示，將采樣電壓VS經(jīng)非線性可變增益放大器放大，然后與固定的參考電壓VREF比較，這樣大大精簡了電路結(jié)構(gòu)，減小了電路輸入失調(diào)對檢測誤差的影響。

圖2 改進型檢測電路

通過選取合適的可變增益放大器的增益，如式（1）所示，其中數(shù)字量D0，D1，…，Dm-1的二進制權(quán)重可通過數(shù)字信號D[3：0]控制相電流幅度形成按正余弦規(guī)律變化的階梯波，進而實現(xiàn)最高1/16步進的角度細分。

電路中各模塊輸入失調(diào)的影響如式（2）所示，其中vos_VGA和vos_COM分別表示可變增益放大器和比較器的輸入失調(diào)電壓，由此可知上述失調(diào)電壓僅僅在相電流較小時對精度有影響，而此時D取較大二進制數(shù)，vos_COM對精度影響可忽略不計。

此結(jié)構(gòu)中可變增益放大器的設計是重點，它要求能放大接近地電平的正電壓小信號、精確度高并且輸入失調(diào)電壓小，本文通過改變輸出電阻實現(xiàn)增益改變[4]，具體電路如圖3所示，圖中省去了控制信號D[2：0]到Y(jié)0，Y1，…，Y7的譯碼電路。

圖3中MP4、MP5、Q2、MP6、MP7、R2構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)；MP4、MP5、Q2構(gòu)成前置放大器，Q2工作在放大區(qū)，VQ1與VQ2為輸入信號；MP6、MP7、R2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡。由于MP4、MP5構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，VP1處輸出電阻很高，可以認為工作過程中VQ1與VQ2差值恒定，那么流過MP7的電流變化量 ΔiMP7如式（3）所示，其中 ΔVQ1、ΔVQ2表示VQ1、VQ2的電壓變化量。

圖3 可變增益放大器

圖3中MP2、MP3、Q1、R1構(gòu)成升壓電路，并與MP4、MP5、Q2、R2結(jié)構(gòu)對稱且對應器件參數(shù)相同，MN0為二極管Q1、Q2提供基極電流。同樣地，有 ΔVQ1=ΔVS，并且當輸入電壓VS為零電平時，忽略輸入失調(diào)電壓，流過MP7的電流為零，滿足了放大接近地電平正電壓小信號的目的。此外MP2、MP3構(gòu)成的電流鏡結(jié)構(gòu)，使得升壓電路受電源VCC的波動影響很小，避免了傳統(tǒng)檢測電路中上拉電阻結(jié)構(gòu)受電源電壓波動影響的弊端。

MP6、MP7與MP8、MP9構(gòu)成共源共柵電流鏡且對應器件參數(shù)相同，有iMP7=iMP8；輸出電壓VG與輸入電壓VS的關(guān)系如式（4）所示，其中R3，R4，…，Rm+3表示串聯(lián)進MP8、MP9支路的電阻：

3 低功耗功率放大電路設計

本設計的功率放大電路中采用H橋結(jié)構(gòu)，H橋橋臂上下管都采用N型電力MOSFET[5]，并通過并聯(lián)盡量多的電力MOSFET來獲得較低的導通電阻。

上管作為高壓側(cè)開關(guān)管，其柵極驅(qū)動電路如圖4所示，其中MN0表示上管，為保證其較低的導通電阻，通過電荷泵得到高于負載電源電壓VBB大約5 V的柵極驅(qū)動電壓VCP[6]。

圖4 上管柵極驅(qū)動電路

圖4中，VP和VN是數(shù)字開關(guān)信號Vinh經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的模擬開關(guān)信號，高低電平分別為VCP和VBB，VP與Vinh同相，VN與Vinh反相。

當Vinh為高電平MN3管打開，VOUT端通過D1、MN3、MN4形成對地的電流通路，VB拉低到VOUT電壓以下，以保證MN1處于關(guān)閉狀態(tài)；同時打開MP0管，從而對MN0管柵極迅速充電并打開，其中R0為限流電阻。在上管打開期間，VOUT保持高電壓，D1、MN3、MN4通路會有持續(xù)漏電流，因此MN7選用較小尺寸同時增加MN5、MN6管，在Vinh變?yōu)楦唠娖剿查g產(chǎn)生一個高電平脈沖Vm打開MN5管，為MN1柵極電荷提供額外的泄放通路，降低靜態(tài)電流，減小導通時間。

當Vinh為低電平時，MN3、MP0管關(guān)閉，MP1、MP2管打開，VCP端通過R1、MP2、D2形成到VOUT的通路，VA拉高并保持高于VOUT電壓6 V左右，VB通過MN2跟隨VD升高打開MN1管，從而使MN0柵極電容迅速放電并關(guān)斷；同樣地，由于在上管關(guān)閉期間R1、MP2、D2通路存在持續(xù)漏電流，因此R1選擇大阻值以降低靜態(tài)電流，MP1、MN2為MN1提供低阻抗充電通路，大大降低關(guān)閉時間。

上述設計中較小的靜態(tài)電流和開關(guān)時間保證了較低的靜態(tài)功耗和開關(guān)功耗。

下管柵極驅(qū)動電路如圖5所示，數(shù)字控制信號Vinl通過電平轉(zhuǎn)換電路MP0′、MN1′對下管MN0′充放電，從而 實現(xiàn)功率管 的打開和關(guān) 閉。R0′、R1′、D0′與 上 管驅(qū)動中R0、R1、D0作用一致。

圖5 下管柵極驅(qū)動電路

為了避免橋臂直通，本電路在柵極控制信號Vinh和Vinl之間了設置合理的死區(qū)時間，使兩者同時為零。

在柵極驅(qū)動電路中，限流電阻的選擇對于開關(guān)功耗至關(guān)重要。減小限流電阻阻值能減小開關(guān)時間及開關(guān)功耗，但若過小，開關(guān)功耗有可能不會降低反而急劇升高。

考慮到功率管的極間電容，柵極驅(qū)動電路如圖6所示。該圖表示上管MN0關(guān)閉，下管MN0′打開瞬間的情況。下管MN0′打開，VOUT電壓下降，下管柵極驅(qū)動僅對米勒電容CGD2充電，充電電流為i0，此時MN0′的柵源電壓恒定且近似為功率管閾值電壓VTH。VOUT下降速率如式（5）所示，為定值。因為MP0′的導通電阻相比限流電阻R0′較小，式中忽略了它的影響。

圖6 考慮極間電容的驅(qū)動極模型

上管MN0的柵源電壓VGS1由式（6）給出，其中RMN1表示MN1的導通電阻。

通過式（6）并且考慮電力MOSFET的特點，VGS1的最大值VGS1_MAX簡化表達式為：

由式（7）可以得出，若要減小關(guān)閉時間，需減小限流電阻R0′，同時要增加MN1管面積來減小RMN1，因此存在性能與面積間的折中關(guān)系。同樣，對于上管驅(qū)動中限流電阻R0有同樣關(guān)系式。

另外過高的dVout/dt會引起晶體管反向恢復電流增加，導致功率管源-漏極電壓超過干線電壓VBB造成晶體管擊穿，上述情況需要同時加以考慮，選取最合適的限流電阻R0′值。

4 仿真與測試結(jié)果

圖7給出了帶載步進電機正常工作時VS電壓所反映的斬波過程，VS經(jīng)歷正電壓、負電壓和零電壓分別代表電機線圈充電、快衰減和滿衰減。

圖7 斬波過程中VS電壓瞬間波形

圖8給出了角度細分下帶載步進電機正常工作時VS電壓，圖8（a）是1/16步進時的整體正弦波形，圖8（b）是1/4步進時的局部臺階。波形的毛刺是正常工作過程中續(xù)流體二極管的反向恢復電流引起的。

其他主要參數(shù)的詳細測試結(jié)果以及目標值如表1所示。測試結(jié)果顯示了該電路具有較低的功耗和較高的斬波電流控制精度，很好地實現(xiàn)了設計目標。

圖8 角度細分時VS電壓波形

表1 其他主要測試參數(shù)

5 結(jié)論

本文完成了應用于兩相雙極性步進電機的斬波橫流驅(qū)動電路設計，測試結(jié)果表明滿足驅(qū)動能力要求，具有較高的精度較低的靜態(tài)功耗以及動態(tài)功耗，并且易集成角度細分控制。同樣的結(jié)構(gòu)也可以應用于三相及以上的步進電機驅(qū)動芯片或者直流電機中，因此具有廣泛用途。

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