【干貨】深入理解步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的續(xù)流衰減模式

步進(jìn)電機(jī)是一種控制簡單、使用方便的位置開環(huán)電機(jī)，廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化、安防監(jiān)控、3D打印和汽車電機(jī)等領(lǐng)域。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是包含了速度控制、力矩控制、位置控制及各種保護(hù)等功能的集成電路，根據(jù)輸入信號(hào)，按照內(nèi)置的算法邏輯控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效果，也就是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性、振動(dòng)和噪音。對(duì)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(jī)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(diǎn)和適用性、與剎車Brake的差異等，以此進(jìn)行更為復(fù)雜靈活的續(xù)流控制，就更能夠適應(yīng)不同參數(shù)的電機(jī)，從而達(dá)到電機(jī)平穩(wěn)性與振動(dòng)和噪音的最優(yōu)效果。最后以Chipown高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片PN7781系列為例，說明續(xù)流衰減模式的靈活控制。

?電機(jī)等效電路?

圖1 電機(jī)(一相)等效電路

如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)（以常見的雙極性）包含兩個(gè)線圈，以電機(jī)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(jī)反電動(dòng)勢(shì)BEMF。

其中BEMF電壓等于反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Kt乘以轉(zhuǎn)速(Hz)，即和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。圖中也考慮到驅(qū)動(dòng)芯片的高低邊內(nèi)阻RDSON，所以驅(qū)動(dòng)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(dāng)電機(jī)處于啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)速很小，反電動(dòng)勢(shì)很小，則大部分電壓會(huì)加載到L*di/dt，電流急速上升。而當(dāng)電機(jī)處于最高轉(zhuǎn)速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)最大，電感電壓則最小，電流變化相對(duì)較小。

?什么是電機(jī)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(gè)線圈驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)Drive階段，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定電流值時(shí)，關(guān)閉所有MOS，此時(shí)線圈電感效應(yīng)，電流會(huì)繼續(xù)從左到右流動(dòng)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(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)和電流衰減的幾個(gè)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(shí)段內(nèi)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)定的電流值，ITRIP按照步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制所需的電流臺(tái)階而變化，圖3就是一段電流臺(tái)階往上增長的例子。

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

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

tOFF則是整個(gè)電流續(xù)流時(shí)段。tOFF時(shí)間到期后，H橋重新啟用，開始另一個(gè)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(duì)速度。

1、慢衰減 Slow Decay

圖4 慢衰減 Slow Decay

首先正常驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)管，電流繼續(xù)從左往右經(jīng)過線圈順時(shí)針閉環(huán)衰減，如圖4藍(lán)色電流。

對(duì)應(yīng)的電機(jī)相電流波形是先驅(qū)動(dòng)Drive階段上升，如圖4右示，當(dāng)相電流上升到預(yù)設(shè)的ITRIP閾值或以上時(shí)，就進(jìn)入續(xù)流階段。

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

綜上，慢衰減模式主要是通過下橋臂的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)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(shí)間段內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大，即反電動(dòng)勢(shì)變化不大。從圖5等效電路來看，相當(dāng)于VM接地，此時(shí)電感電壓：

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

2、?快衰減 Fast Decay

圖6 快衰減 Fast Decay

先正常驅(qū)動(dòng)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(duì)稱的BH、AL兩個(gè)驅(qū)動(dòng)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(lán)色電流方向。

對(duì)應(yīng)的相電流波形如圖6右所示，是先驅(qū)動(dòng)Drive階段，然后快衰減直到零，并保持（如把全橋驅(qū)動(dòng)管都關(guān)掉)，不會(huì)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(shí)間內(nèi)到零。

綜上，快衰減模式主要是通過斜對(duì)角的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管來續(xù)流。

圖7 快衰減等效電路

對(duì)于快衰減續(xù)流階段等效電路，如圖7所示。需要注意，此時(shí)VM反向加載于電機(jī)，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?？梢岳斫獾氖强焖p較適合大電感電機(jī)，而慢衰減較適合小電感電機(jī)。

3、混合衰減 Mixed Decay

圖8 混合衰減 Mixed Decay

先正常驅(qū)動(dòng)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(duì)稱的BH、AL兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管快衰減，經(jīng)過一段時(shí)間TDECAY后，關(guān)掉BH并打開BL（此時(shí)AL保持打開)，電流繼續(xù)從左往右經(jīng)過線圈順時(shí)針的慢衰減。對(duì)應(yīng)的相電流波形是先驅(qū)動(dòng)Drive階段，然后先快衰減，持續(xù)TDECAY時(shí)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(shí)間可根據(jù)電機(jī)及應(yīng)用場(chǎng)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(shí)間的控制，來確保電機(jī)相電流有效地、及時(shí)地控制到當(dāng)前設(shè)定的ITRIP閾值，以達(dá)到精確的快速響應(yīng)的電流環(huán)控制。

相對(duì)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(duì)比

表1是三種衰減模式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。對(duì)于相對(duì)復(fù)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(duì)于更復(fù)雜的控制，可以進(jìn)一步控制PWM周期、tBLANK、tDRIVE、tOFF等時(shí)間來達(dá)到最優(yōu)化效果。

?慢衰減就是電機(jī)剎車Brake嗎？

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

在續(xù)流階段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化非常小，基本可以忽略反電動(dòng)勢(shì)VBEMF的變化。當(dāng)電機(jī)從正常驅(qū)動(dòng)Drive階段到把全橋驅(qū)動(dòng)管全部關(guān)掉OFF，如圖9所示，此時(shí)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(jī)就是完全開路狀態(tài)，反電動(dòng)勢(shì)能量無處釋放，只有電機(jī)本身的摩擦阻力讓電機(jī)緩慢停下來。

圖9 慣性運(yùn)轉(zhuǎn) Coasting

而對(duì)于剎車，如圖10所示，電機(jī)從正常運(yùn)行狀態(tài)切換到只打開下橋臂驅(qū)動(dòng)管并保持住，在剎車前（驅(qū)動(dòng)階段結(jié)束）時(shí)刻：

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

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

圖10? 剎車 Braking

對(duì)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(gè)短時(shí)間段內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化很小，所以反電動(dòng)勢(shì)略微降低，VBEMF仍然較大。此時(shí)刻（VL降到0時(shí)）剎車電流最大：

相比較于剎車前時(shí)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(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片過流OCP保護(hù)。

以上就是電機(jī)續(xù)流控制的詳細(xì)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(dòng)芯片較少，而芯朋微最新推出的高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)--PN7781

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

PN7781TG-A1

芯片特征

●?步進(jìn)電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)

寬電壓范圍：8V～37V

每個(gè)H橋電流：1A持續(xù)電流（1.5A峰值)

低導(dǎo)通電阻：0.86Ω（高邊+低邊）

●?STEP/DIR輸入接口，控制簡單

●?六種步進(jìn)模式，最高支持1/16細(xì)分

●?慢速衰減和混合衰減模式運(yùn)行中可調(diào)整（四種選擇）

●?集成電流檢測(cè)功能：無需檢測(cè)電阻

●?低睡眠電流：IVCC_SLEEP <20uA

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

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

圖11 PN7781典型應(yīng)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(yùn)行中可實(shí)時(shí)調(diào)整)，可以適配及優(yōu)化驅(qū)動(dòng)不同參數(shù)的步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到最佳的運(yùn)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(shí)際使用的電機(jī)參數(shù)，以及實(shí)際測(cè)試的平穩(wěn)性及震動(dòng)、噪音等水平，來設(shè)置匹配最優(yōu)的衰減模式。

同時(shí)，如上文談到的tBLANK消隱時(shí)間，PN7781采用先進(jìn)的自適應(yīng)消隱時(shí)間。

圖12 PN7781消隱時(shí)間

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

綜上，PN7781采用自適應(yīng)的消隱時(shí)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(jìn)電機(jī)，很好地平衡步進(jìn)電機(jī)平滑穩(wěn)定性、噪音和震動(dòng)，明顯提升終端產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)（機(jī)械傳動(dòng)）性能。

表3 Chipown步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品系列

此外，芯朋步進(jìn)電機(jī)系列產(chǎn)品豐富，從低壓到中高壓，從性價(jià)比的簡單控制到高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齊全，如表3所示。

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