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步进驱动器中的电流衰减(又称为循环电流)

文章来源:锐特凤凰平台官网 时间:2019-11-01 16:14:44 浏览:

  斩波器驱动器是一种常见的步进驱动器,之所以这么称呼,是因为它可以快速打开和关闭驱动器的输出电压(“斩波”),以便为电动机提供恒定的电流。斩波器驱动器每个电机相使用一个H桥来驱动电压到电机绕组。H桥底部的检测电阻监视电流。当达到设定的电流水平时,H桥会更改状态以停止向电动机供电。在设定的时间段(称为“关断时间”)后,新的周期开始,H桥再次将电流驱动到绕组。

  尽管H桥在关闭时间内不提供电流,但电流仍保持在电机线圈中。当此存储的电流消散或衰减时,它必须有一条流经的路径,否则H桥中的场效应晶体管(FET)将被损坏。一种安全电流路径的一种选择是与FET并联使用续流二极管,但是这增加了体积和成本。取而代之的是,可以以两种方式之一来操纵FET本身,从而为衰减电流提供安全的路径。

  H桥是包含四个独立控制的开关元件(FET)的电路,这些开关元件将电流引导到负载(在这种情况下为步进电动机)。

  

 

  在H桥中,对角开关被打开以允许电流流过。交替使用“ on”开关的侧面会改变电动机的旋转方向。

  图片来源:Texas Instruments

  接通H桥同一侧的两个FET会导致很高的电流(称为“击穿”),可能会损坏FET。因此,当H桥的一侧上的FET需要顺序地导通时,使用被称为“先断后通”的方法。

  此方法在启用第二个FET之前的一段设定的时间(通常为数百纳秒)内将其禁用,以防止直通。在短暂的“停滞时间”期间,如果两个FET均未启用,则FET上的内部二极管会承载电流。

  电流衰减:快或慢

  使用FET的两种电流衰减方法分别称为“快速衰减”和“慢衰减”。需要注意的是,在这种情况下,术语“快速”和“慢”是指电流衰减的速度,并且与电动机的停止速度成反比。

  在快速衰减的情况下,通过打开相对的FET并反转流过H桥的电流方向,可在绕组上施加负电压。快速衰减使电动机能够快速响应不断变化的阶跃输入,但会导致电动机缓慢停止。快速衰减的缺点是会引起高电流纹波。

  尽管快速衰减并不能提供真正的再循环电流(电流流回电源),但有时将其称为再循环电流的一种。

  随着缓慢的衰减,H桥中的两个FET(高侧或低侧两个)均导通。这会使电动机绕组短路,并允许电流再循环并根据电动机的L / R时间常数缓慢衰减。在直流电动机中,慢速衰减方法会导致电动机快速停止,因为它会使电动机的反电动势短路。

  

 

  循环通过H桥的电流可提供缓慢的衰减(中间),而提供通过H桥至电源的反向电流则可实现快速衰减(右)。

  图片来源:单片电源系统

  微步进驱动器找到了一个折衷方案

  微步进驱动器以正弦电流驱动电机绕组,通常使用一种称为“混合衰减”的方法。在电流波形的上升部分,缓慢的衰减足以模拟发出微步的电流正弦波,同时提供高效率和低电流纹波。但是,当波形减小时,缓慢的衰减不允许电流迅速减小以维持正弦波形,并且快速衰减会引入不可接受的电流纹波。

  

 

  快速衰减会产生明显的电流纹波,因此微步进应用使用混合衰减。

  图片来源:意法半导体

  混合衰减通过在启用快速衰减的情况下开始电流波形的向下部分,然后切换到缓慢衰减来解决此问题。这样可以保持电流的正弦曲线形状,同时最大程度地减小电流纹波。

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