（微电子学与固体电子学专业论文）基于pwm两相步进马达驱动ic的设计.pdf

摘要 摘要 随着马达在消费类电子市场产品中的广泛应用，马达驱动芯片受到越来越多 的关注，而步进马达驱动作为马达驱动中重要的分支，不可避免地受到了许多科 研机构和公司重视。 本文在详细论述了步进马达驱动原理的基础上设计了一种高压、大电流、中 等功率、基于p w m 的两相混合式步进马达驱动i c ，主要应用于打印机、复印机、 电脑扫描和绘图仪等位置与速度伺服系统控制。芯片可控额定最高电压v ( m a x ) 为 3 6 v ，最大输出连续电流i o ( m a x ) 为1 2 a ，功率m o s 输出晶体管的导通电阻r d s ( o n ) 为1 8q 。 本文设计的芯片主要是基于p w m 的两相混合式步进马达驱动i c ，它利用p w m 输入信号控制可实现的全步、半步及1 4 步进角的电流驱动模式，并且它的电流衰 减模式可选择从而可以提高输出电流的有效利用率，芯片还具有同步整流、 p o w e r s a v e 功能，同时具有过热、过流、欠压及交叉直通电流等保护功能。芯片采 用u m c0 6 u r n5 v 一4 0 vc m o s 工艺，用h s p i e e 软件对电路进行了设计及仿真，并 对芯片进行了工程流片及测试，测试结果表明：芯片基本实现工作要求，且大部 分参数己达到设计指标的要求。 关键词：脉宽调制步进马达电流衰减单触发 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ew i d eu s ei nt h ec o n s u m e re l e t r o n i cm a r k e t , m o t o rd r i v e rg e t sm u c hm o r e c o n c 豇1 1 a so n eo ft h ei m p o r t a n tb r a n c h e so ft h em o t o rd r i v e r , s t e pm o t o rd r i v e ri s g e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nm a n yi n s t i t u t e sa n dc o m p a n i e s t h i st h e s i se x p a t i a t e st h ep r i n c i p l eo fs t e p p i n gm o t o rd r i v ea n ds c h e m e so u ta h i g h - v o l t a g e 、l a r g e - c u r r e n t 、m i d d i l e - p o w e rt w o p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rd r i v e ri c b a s e do np w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) i ti se s p e c i a l l yu s e f u lf o rc a r r i a g ea n dp a p e r f c e ds t e p p i n gm o t o r si np r i n t e r sa n ds i m i l a ra p p l i c a t i o n s t h em a x i m a lm o t o rs u p p l y v o l t a g ev ( m a x ) o f t h ec h i pi s3 6 v ，t h em a x i m a lo u t p u tc o n s t a n tc u r r e n ti o ( m a x ) i s1 2 八 a n dt h eo u t p u tr ( o n ) o ft h ep o w e r m o si s1 8q t h et h e s i sd e s i g n sa2 - c h a n n e lh b r i d g ed r i v e ri cf o rt h eb i p o l a rs t e p p i n gm o t o r 、析n 1p w mc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r 0 1 w i t hp w m i n p u ts i g n a lt os e to u t p u tc l ：n - r e n ti tc a n w o r ki nf u l ls t e p 、h a l fs t e po rq u a r t e rs t e pd r i v e rm o d e l ，n l ec u r r e n td e c a yp a t t e r nc a l l a l s ob es e l e c t e d , s ot h a tt h ee f f i c i e n c yo fo u t p u tc u r r e n tc a nb ei m p r o v e d t h ei c i n c l u d ef e a t u r e so fs y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，p o w e rs a v e ，a n do v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n , t h e r m a ls h u td o w n , u n d e rv o l t a g el o c ka n dc r o s s o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n t h ed e s i g na n d s i m u l a t i o no ft h ec h i pa r eb a s e do nt h eu m c0 6 u m5 v - 4 0 vc m o sp r o c e s sa n dh s p i c t 0 0 1 f i n a l l y , t h ec h i pd i eh a sb e e nm a n u f a c t u r e da n dt h et e s t e d1 1 1 et e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ec h i pc a nr e a c ht h ew o r kr e q u i r e m e n t sa n dt h em o s tt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s c a nr e a c ht h ed e s i g nc o m m a n d s k e y w o r d s ：p w ms t e p p i n gm o t o r c u r r e n td e c a yo n e s h o t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：里篁二墨? 日期三二堕 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 日期三：竺里：i 。兰多 日期三! ! ! ：! ! 圣矿 辚 a r 一 一 名名签签人师本导 第一章绪论 第一章绪论 目前，电子马达控制市场方兴未艾，其在诸多领域发挥着越来越重要的作用。 无论是汽车、工业控制还是家用电器，马达控制无所不在，随着各种产品对更多 功能和更高效能的不断需求，马达驱动芯片也受到了越来越多的关注。而步进马 达驱动作为马达驱动芯片中一个重要的分支不可避免的受到了许多人的重视。 1 1 步进马达驱动控制技术的研究现状 随着微电子和计算机技术的发展，步进马达的需求量与日俱增，在各个国民 经济领域都有广泛的应用。 传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中 起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已 不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求， 发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分 广泛的一类便是步进马达。 步进马达又称脉冲马达或阶跃马达，国外一般称为s t e pm o t o r 、p u l s em o t o r 或s t e p p e rs e r v o 。就传统的步进马达来说，步进马达可以简单地定义为，根据输 入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度( 或长度) ，若不改变励磁 状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进马达是一种受电脉冲信 号控制的无刷式直流电动机，也可以看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频 率同步的同步电动机。 步进马达是一种完成增量运动的电磁机械，它能将输入电脉冲信号转换成机 械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进马达的转轴前进一个步进角， 并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在指定的空间位置上。步进马达天生 就是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。它的设计以 精确的定位作为主要目标，要求转矩大、定位精度高，在结构上保留着组合电磁 铁的基本特征，亦即电动机各绕组之间的磁场是彼此孤立的。步进马达是根据组 合电磁铁理论设计的，力求各相绕组之间没有互感，定转子都采用凸极结构，不 考虑空间磁谐波的有害影响，尽量去增加定位转矩的幅值和定位精度。 步进马达是离散型自动化执行元件，是自动控制系统中的重要执行部件，它 在系统中可实现下列功能：变换脉冲数为转轴的角位移；起电磁制动器、电磁差 分器、电磁减速器和角位移发生器等作用。它是随着计算机控制系统的发展而逐 2 一 基于p w m 两相步进马达驱动i c 的设计 步发展起来的，从上个世纪5 0 年代至今已有5 0 多年的历史。计算机技术的发展， 数字控制系统的采用，促进了步进马达的发展。尤其是上个世纪8 0 年代初，微处 理器在数控技术中的推广应用，给步进马达开拓了广阔的发展前景。 2 0 世纪6 0 年代，在步进马达本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进 马达应运而生，而半导体技术的发展则推动了步进马达在众多领域的应用。近5 0 年来，步进马达迅速发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进马达已经能与直流 电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，成为电动机的一种基本类型。步进 马达已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。 我国步进马达的研究及制造起始于2 0 世纪5 0 年代后期。从5 0 年代后期n 6 0 年 代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。7 0 年代初期，步进马达的生产和研究有所突破。7 0 年代中期至8 0 年代中期为成品发 展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自8 0 年代中期以来，由于对步进马达 精确模型做了大量的研究工作，各种混合式步进马达及驱动器作为产品广泛应用。 1 2 步进马达驱动控制系统的构成 步进马达是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移( 或线位移) 的机电元件， 它不能直接接到普通的交直流电源上工作，必须使用专用设备步进马达驱动 控制器。步进马达系统是由步进马达及其驱动器两部分构成的，随着新材料、马 达设计与制造技术电力电子技术、微电子技术、控制技术等的进步，步进马达系 统取得了巨大的发展，在开环高分辨率定位系统中占据了主导地位。 图1 i 步进马达的驱动原理 因此，步进马达的运行性能例如运行频率、输出力矩等，除受马达自身性能 的影响外，还直接受驱动控制器的制约。图1 1 表示常规开环步进马达驱动控制系 统的基本组成。该系统包括步进马达、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器以 及直流功率电源等五个部分。步进马达伺服系统具有价格低、简单、可靠等交直 流伺服系统无法比拟的优点，但由于它的运行速度低、驱动器效率低和发热量大 等缺点，使它的使用范围受到限制。针对存在的问题，随着现代电力电子技术、 微电子技术的发展，为步进马达驱动器性能的提高提供了条件，出现了许多步进 马达驱动控制方式。 第一章绪论 1 3 步进马达不同的驱动控制方式 3 一 步进马达各相绕组之间，定、转子之间存在强耦合，电磁关系存在较严重的 非线性，但从驱动电路角度来看，对一台步进马达的控制，就是按一定顺序向多 相绕组通电，对各相电流的控制以产生必要的转矩的问题。因此，就步迸马达控 制而言，各相通电顺序的产生和电流波形的控制是主要的问题，其次是一些保护 问题。步进马达的驱动控制技术经过多年的发展，已形成一些相对固定的驱动方 式。 ( 1 ) 恒电压驱动方式 恒电压驱动方式是指电动机绕组在工作时，只有一个恒定的电源电压对绕组 供电，如图1 2 所示。这种驱动方式的线路相当简单，流经绕组中的电流以时间常 数t 。t = l a r a ( l a 为绕组的等效电感，r a 为绕组的等效电阻) 上升，直至稳定状态。 当马达高速运转时，流经绕组的电流还未上升到稳定状态就被关断，相应的平均 电流减少而导致输出转矩下降。 e 线 豳 l 的 镶 效 e - 电 磁 h r - ，l - 图1 2 恒电压驱动方式图图1 3 串电阻恒电压驱动方式 为改善高速状态的马达转矩特性，通常在连接马达绕组的线路中串联一个无 感电阻，并外加更高的电压，如图1 3 所示。此时线路的电气时间常数t 以- - l a ( r a + r s ) ， ( r s 为外加电阻阻值) ，t 。要比t 。小很多，绕组电流的上升前沿变陡， 平均电流因此得到提高，输出转矩随之增加。这种线路的优势是线路简单、成本 低。但也有严重的缺陷：无法抑制低频振荡，功耗大、发热高，高频时带载能力 不高。 ( 2 ) 高低压驱动方式 高低压驱动的设计思想是不论电动机工作频率如何，在导通相的前沿用高电 压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高 低压驱动的原理线路如图1 4 所示。图中所示为每相的单元线路。主回路由晶体管 v 1 、电动机绕组、晶体管v 2 串联而成。u h 加高压，u l 加低电压，电动机绕组回路 4 一 基于p w m 两相步进马达驱动i c 的设计 不串电阻。当相绕组通电时， 晶体管v 1 和v 2 同时导通，此时 加到绕组上的电压为高电压 删，上升电流具有较陡的前沿 特性。当电流上升到额定值 时，晶体管v 1 关闭，剩下晶体 管v 2 以维持相电流。 高低压驱动方式可以保 怔电压u i = 二函墩压 齑蚯：1墅胨冲 电机 电压 电藏 图1 4 高低压驱动方式原理图 证在很宽的频段内相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速泄放，因此能产 生较大的且较稳定的电磁转矩，整个驱动系统能得到较高的响应。但同时，由于 这种驱动方式在低频时绕组电流有较大的上冲，所以低频时电动机振动噪声较大， 低频共振现象仍然存在。高低压驱动目前在实际中应用较多。 ( 3 ) 恒流斩波驱动方式 恒流斩波驱动方式是目前步进 马达控制线路中应用最为广泛的一 种线路。这种驱动方式是一种供电电 压比电动机额定供电电压高得多，采 用斩波方式使电动机绕组电流从低 速到高速运行范围内保持恒流的一 种驱动方式。具体采用p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 等 图1 5 恒流斩波驱动方式原理图 h 方式雎，使相绕组电流无论在低频或高频段工作时都保持基本恒定。它弥补了高低 压驱动方式相电流波形有凹点的缺陷，提高了输出转矩。 图1 5 示出恒流斩波电路。当开关功率晶体管v 1 导通时，电流i m 流经电动机绕 组l ，在取样电阻r s 上产生压降u s ，当u s 上升到设定电压u r e f 时， 由比较器比 较后产生信号使大功率晶体管v l 关断，i m 随之下降，u s 下降，当u s t j , 于u r e f 一定 值时，比较器电平翻转又使大功率晶体管v 1 开通，从而使绕组电流保持在额定电 流上下的一定范围内。 ( 4 ) 调频调压驱动方式沼1 前述驱动一般都带来低频振动加 剧的不良后果。调频调压驱动方式主 要是为了减小低频振动，使低速时绕 组电流上升的前沿变平缓，这样才能 使转子在到达新的稳定平衡位置时不 产生过冲，而在高速时使电流有较陡 v dj l c 一 调压驱动方式 第一章绪论 的前沿以产生足够的绕组电流，提高电动机的带载能力。他主要通过对绕组提供 的电压与电动机运行频率建立直接联系，低频时用较低电压供电，高频时用较高 电压供电，使其成为一个由脉冲频率控制的可开关稳压驱动电源，如图1 6 所示。 在低速运行时，控制功率开关管的导通角( 即调整占空比) ，使线路输出的 平均电压较低，电动机不像在恒流斩波驱动下那样在低速时容易出现过冲现象， 不会产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压逐渐提高，提供给绕组 足够的电流。这样，电动机的低频、高频特性都得到了相应的提高。但是目前调 频调压主要采用开环控制，因此存在一些不可避免的问题，诸如：易受供电电压 波动的影响；电动机绕组电流由驱动器输出电压与绕组电阻决定，因此电流易受 环境( 电源电压、马达参数等) 影响，导致马达发热或转矩下降；驱动线路的适 应能力差，对于不同规格的马达需进行相应的调整。 ( 5 ) 细分驱动方式 步进马达各相绕组的电流是按照工作方式的节拍轮流通电的。绕组通电的过 程非常简单，即通电一断电反复进行。我们知道，电磁力的大小与绕组通电电流的 大小有关。当通电相的电流不是一次性上升到位，而断电相的电流也不是立即下 降为0 时，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置，这个新的平衡 位置在原来的步距角范围内。就是说如果绕组中电流的波形不再是一个近似方波， 而是一个分成n 个阶梯的近似阶梯波，则电流每上升或降低一个阶梯时，转子转动 一小步。当转子按照这样的规律转过n 小步时，实际上相当于它转过一个步距角。 细分驱动使得步距角更小了，可以大大提高对执行机构的控制精度，同时也可以 减小或消除振荡、噪声和转矩波动。 ( 6 ) 集成电路驱动方式 驱动电路的集成化已成为一种趋势。目前，已有多种步进马达驱动集成电路 芯片，它们大多集驱动和保护于一体。国外已做成的小功率步进马达专用集成电 路驱动芯片，广泛应用于小型仪器仪表、计算机外围设备、机器人等领域。作为 步进马达的驱动元件，它使控制系统的体积减小，可靠性提高，特别是易于与微 处理器接口。 1 4 步进马达的分类及工作原理 1 4 1 步进马达的分类 步进马达是一种把电脉冲信号转换成角位移或直线位移的电气机械。其转子 的转角与输入电脉冲数成正比，转子的转速与单位时间内脉冲数成正比，转矩是 由于磁阻作用而产生的，旋转方向则取决于脉冲的顺序。 基于p w m 两相步进马达驱动i c 的设计 步进马达的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为永磁式( p m ) 马达、反应式( 也称变磁阻式，v r ) 马达、混合式马达( 也称为感应子式，h b ) 等三种主要型式： ( 1 ) 永磁式步进马达( p m ) 永磁式步进马达采用永磁转子结构，使定子脉冲电流产生的磁场和转子永磁 磁场相互作用而产生旋转转矩，带动负载运行。其转子由永磁材料和轴组成，转 子上没有齿。永磁材料圆周方向充磁。材料一般使用铁氧体和铝镍钴居多。通常 为大步距步进马达。使用铁氧体时多为每步7 5 0 和1 5 0 ，使用铝镍钴时为每步4 5 。 和9 0 。： ( 2 ) 反应式步进马达( v r ) 反应式步进马达是目前比较流行的一种电动机，它是依靠改变电动机的磁阻 来产生电磁转矩，也称为变磁阻式步进马达。反应式步进马达的转子是由软磁材 料制成的，转子中没有绕组，比较充分地反应出定位电磁铁的特性。 反应式步进马达有一个定子，其上装有m 相励磁绕组，相当于m 个定位电磁铁。 还有一个只开有均匀分布的槽齿的转子，其上不安装任何形式的绕组。这种电动 机可以组成单段式或多段式； ( 3 ) 混合式步进马达 混合式步进马达是一种十分流行的步进马达口3 ，它既具有反应式步进马达的高 分辨率，每转步数比较多的特点：又具有永磁式步进马达的高效率，绕组电感比 较小的特点。混合式步进马达也称为感应子式同步电动机。它是一种低速运行的 同步电动机，既可用作同步电动机进行速度控制，也可用作步进电动机进行位置 开环控制。这种步进马达通常有多相绕组，类似反应式的。定子则与反应式电动 机完全一样，只是在转子上有永久磁铁或单独的直流绕组产生单向的轴向磁场。 混合式步进马达从结构来看由定子部件、转子部件、机壳和端盖四部分组成。 1 4 2 工作原理 下面以三相六拍反应式步进电动机为例来阐述步进电动机的原理。 a b c 图1 7 三相反应式步进电动机的工作原理图 第一章绪论 7 一 图1 7 为一台三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕 有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。 当a 相控制绕组通电，而b 相和c 相不通电时，步进电动机的气隙磁场与a 相绕 组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故马达转子受到一个反 应转矩，在步进马达中称之为静转矩。在此转矩的作用下，使转子的齿1 和齿3 旋 转到与a 相绕组轴线相同的位置上，如图1 7 a 所示，此时整个磁路的磁阻最小，此 时转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。如果b 相通电，a 相和c 相断电，那转 子受反应转矩而转动，使转子齿2 齿4 与定子极b 、b 对齐，如图1 7 b 所示，此时， 转子在空间上逆时针转过的空间角为3 0 。，即前进了一步，转过这个角叫做步距 角，同样的，如果c 相通电，a 相b 相断电，转子又逆时针转动一个步距角，使转子 的齿1 和齿3 与定子极c ，c 对齐，如图1 7 c 所示。如此按a b _ _ c a j i 顷序不断地接 通和断开控制绕组，马达便按一定的方向一步一步地转动，若按a - c - b - a j 颐序通电， 则马达反向一步一步转动。 在步进马达中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转 过一个步距角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换接三 次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍。若按a a b b b c c c a a j l 颐序通电， 每次循环需换接6 次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称 为三相单、双六拍。 三相单、双六拍运行时步距角与三相单三拍不一样。当a 相通电时，转子齿1 、 3 和定子磁极a 、a 对齐，与三相单三拍一样，如图1 8 a 所示。当控制绕组a 相b 相 同时通电时，转子齿2 、4 受到反应转矩使转子逆时针方向转动，转子逆时针转动 后，转子齿1 、3 与定子磁极a 、a 轴线不再重合，从而转子齿1 、3 也受到一个顺时 针的反应转矩，当这两个方向相反的转矩大小相等时，马达转子停止转动，如图 1 8 b 所示。当a 相控制绕组断电而只由b 相控制绕组通电时，转子又转过一个角度 使转子齿2 、4 和定子磁极b 、b 对齐，如图1 8 c 所示，即三相六拍运行方式两拍转 过的角度刚好三相单三拍运行方式一拍转过的角度一样，也就是说三相六拍运行 方式的步距角是三相单三拍的一半，即为1 5 0 。接下来的通电顺序为b c c c a a ， 运行原理与步距角与前半段a a b b 一样，即通电方式每变换一次，转子继续按逆 时针转过一个步距角( 0 s = 1 5 0 ) 。如果改变通电顺序，按a - a c c c b b b a a j l 顶j 事 通电，则步进马达顺时针一步一步转动，步距角0 s 也是1 5 0 。 基于p w m 两相步进马达驱动i c 的设计 另外还有一种运行方式，按a b b c c a a b 顺序通电，每次均有两个控制绕组 通电，故称为三相双三拍，实际是三相六拍运行方式去掉单相绕组单独通电的状 态，转子齿与定子磁极的相对位置与图1 8 b 一样或类似。不难分析，按三相双三拍 方式运行时，其步矩角与三相单三拍一样，都是3 0 0 。 abc 图1 8 步迸马达的三相单、双六拍运行方式 由上面的分析可知，同一台步进马达，其通电方式不同，步距角可能不一样， 采用单、双拍通电方式，其步矩角0 s 是单拍或双拍的半；采用双极通电方式，其 稳定性比单极要好。 上述结构的步进电动机无论采用哪种通电方式，角距角要么为3 0 0 ，要么为1 5 ， 都太大，无法满足生产中对精度的要求，在实践中一般采用转子齿数很多、定子 磁极上带有小齿的反应式结构，转子齿距与定子齿距相同，转子齿数根据步距角 的要求初步决定，但准确的转子齿数还要满足自动错位的条件。即每个定子磁极 下的转子齿数不能为正整数，而应相差l f m 个转子距齿，那么每个定子磁极下的 转子齿数应为： z r ：克土 一= f r 一 2 m p m 式中朋为相数，2 p 为一相绕组通电时在气隙圆围上形成的磁极数，k 为正整数。 那么转子总的齿数为 z r 篁2 m p ( k 二) ，打 当转子齿数满足上式时， 距，用机械角度表示则为 口：婴 ( 1 2 ) 当马达的每个通电循环( n 拍) 转子转过一个转子齿 那么一拍转子转过的机械角即步距角为： 矽：里 z r n 从而步进电动机转速为： ( 1 - - 3 ) ( 1 4 ) 第一章绪论 以：6 0 f o s ( ，r a i n ) z r n 要想提高步进马达在生产中的精 度，可以增加转子的齿数，在增加的同 时还要满足式( 1 2 ) 才行。图1 9 是一种 步距角较小的反应式步进马达的典型结 构。其转子上均匀分布着4 0 个齿，定子 上有三对磁极，每对磁极上绕有一组绕 组，a 、b 、c 三相绕组接成星形。定子 的每个磁极上都有5 个齿，而且定子齿距 与转子齿距相同，若作三相单三拍运行， 贝, u n - - m = 3 ，那么有每个转子齿距所占的 空间角为 a ：3 6 0 。：3 6 0 。：9 。 鼠= 一= 一= y 。 z r4 0 每一定子极距所占的空间角为 0 2 ：一3 6 0 。：皇婴：6 u 一。 = 一= 一= o 。 2 m p 2 x 3 l 每一定子极距所占的齿数为 一z r ：坠：6 三：7 一三 一= 一= n 一= ，一一 2 m p 2 x 3 13 3 其步距角为 9 一 ( 1 - 5 ) 图1 9 三相反应式步进电动机结构图 6 s ：兰生：兰竺：3 。 = 一= 一= j 。 z r n4 0 3 若步进马达作三相六拍方式运行，则步距角为 o s ：兰生：兰竺：1 5 。 = 一= 一= 1 3 。 z r n 4 0 6 _ n 乏呻!1 赢， 霸闭r i l 嗣团网厅n 丌门nn 门r 为酷。 图1 1 0 三相反应式步进电动机展开图 ( 1 - 6 ) ( 1 7 ) ( 1 - 8 ) ( 1 9 ) ( 1 - 1 0 ) 1 0 基于p w m 两相步进马达驱动i c 的设计 1 5 步进马达驱动控制器的发展趋势 采用电流控制技术以及细分驱动技术，准确有效地控制马达绕组电流，进一 步提高步进马达系统的运行性能和对控制要求的适应性，是步进马达驱动器发展 的主要趋势，同时，集成化、模块化、低成本也是步进马达驱动器发展的必然趋 势。集成化、模块化有利于提高驱动器的可靠性和电磁兼容性，减小驱动器的体 积，进一步扩大步进马达的应用领域。 步进马达驱动控制器的研究以及步进马达的广泛应用与电力电子技术、微电 子技术以及功率集成电路的研究与发展有着密不可分的关系，上述各个技术的发 展为步进马达驱动控制器的发展提供了条件。 1 6 研究内容及章节安排 目前国内已有的步进马达驱动器，一般采用高低压驱动方式或者调频调压驱 动方式，这些驱动电路仅可实现基本步距的运行，电路构成复杂，而且多由分立 元件组成，可靠性不高，还存在运行速度低、缺乏保护电路、驱动效率低和发热 损耗大等缺点。针对以上缺点，本课题设计了一款基于p w m 控制的，以非线性d a c 为核心的两相混合式步进马达驱动i c 。 本课题所设计的步进马达驱动芯片具备以下特点： ( 1 ) 具有较大范围内的输出电流； ( 2 ) 具有同步整流功能； ( 3 ) 具有不同的电流衰减模式选择功能； ( 4 ) 具有过流保护，过热保护及欠压等保护功能。 论文章节安排： 论文全文共分五章。第一章介绍了有关步进马达驱动的相关背景、驱动方式 及原理。第二章对要设计的芯片的原理进行了说明。第三章对芯片的内部电路的 进行了设计及仿真。第四章简要介绍了芯片的版图及流片后的测试情况。最后是 总结。 第二章芯片系统原理及运用 第二章芯片系统原理及运用 2 1 1 芯片基本结构框图 2 1 芯片简介 本文设计的芯片是一颗主要应用于打印机及电脑扫描的马达驱动i c 。适用于 双极性步进马达驱动。利用外部逻辑电路或微处理器分配信号，可构成一个完整 的两相步进马达驱动系统，可实现整步( 基本步距) 、半步或1 4 步控制。控制方 式是双极性、固定关断( o f f ) 时间的定电流p w m 控制。峰值负载电流的上限也 可通过选择参考电压和检测电阻的值来决定。固定频率的脉冲间隔是通过选择外 部的r c 网络的时间常数来确定，且针对不同的条件可切换不同的电流衰减模式， 实现不同控制状态。它的内部结构如下图所示： 图2 1 驱动芯片原理框图 芯片的核心电路主要由以下部分构成：b a n d g a p ，r e g u l a t o r ，保护电路，d a c ， o n e s h o t ，逻辑控制电路( l o g i c ) ，限流比较器( c u r r e n tl i m i tc o m p ) ，驱动电 路( p r e d r i v e r ) 及h 桥功率输出电路。 1 2 基于p w m 两相步进马达驱动i c 的设计 2 1 2 芯片特点 ( 1 ) p o w e rs a v e 功能，通过p s 控制信号可以控制芯片在静态工作时，关断内 部电路，使芯片处于储能状态。 ( 2 ) 保护功能，芯片内部设有过温保护( t s d ：t h e r m a ls h u td o w n ) 、欠压 保护( u v l o ：u n d e rv o l t a g el o c k o u t ) 及过电流保护( o c p ：o v e rc u r r e n tp r o t e c t ) 的电路保护功能，可以使芯片在出现上述情况时关断电路，从而达到保护芯片的 功能。 ( 3 ) 交叉电流保护，为防止输出h 桥功率管同臂端的两个器件发生直通，使 流过器件的电流过大从而把功率管烧毁，在电流转换肘设置了死区时间，使在功 率管只能在它的同臂端功率管关断经过定的死区时间后才能打开。 ( 4 ) 电流衰减模式可切换，为达到最好的控制状态，使输出电流有效利用率 更高，且针对不同的控制状态实现不同的电流衰减控制，芯片设置了电流衰减模 式选择电路，针对不同的状态可选择，快速衰减模式、缓慢衰减模式或混合衰减 模式。 ( 5 ) 同步整流，为防止芯片在快速衰减模式时，输出电流出现衰减过快，使 输出电流过冲达到过大的负电流，芯片内部设置了同步整流功能，使电流衰减过 冲时，从快速衰减模式转换到缓慢衰减模式。 ( 6 ) 高放热封装，因为芯片正常工作时，最大电流可达到1 2 a ，为防止芯片 内部过热使i c 烧坏，芯片采用了h s s o p 4 2 的高放热封装。 2 1 3 电气参数指标 ( 1 ) 芯片极限工作范围 表2 1 极限参数 参数名称符号数值单位 数字最大电源电压 v d d7v 马达最大电源电压 v m3 6v 最大输出功耗 p d 1 6 0 0m w 工作环境温度范围t o p r - 2 5 - - + 8 5 存贮温度范围t s t g 5 5 - - + 15 0 最大结温t j m a x 1 5 0 最大输出电流 i o u t1 5 0 0m a 最大i 姒f 电压 、，r n f0 5v 注l ：极限参数为芯片工作的极限条件，若超出这些参数范围，芯片可能会被损坏。 第二章芯片系统原理及运用 1 3 ( 2 ) 目标参数 如无特别说明，以下参数为环境温度为t = 2 5 a c ，电源电压v d d = 5 v ，马达电源 电压v l d = 2 4 v 时的典型值 表2 2 芯片电学特性 符号数值 参数名称最小值 典型值 最大值单位工作条件 整体电路 v d d 静态电流 i c c s t o1 0u a p s = o v , v r e f x = 2 v v d d 工作电流 i c c 35m ap s = h ， v r e f x = 2 v v m 静态电流 i 、n v i s t 0 3 0u a p s = o v , 、哏e f x = 2 v v m 工作电流 m 1 53m a p s = h ， 强f x = 2 v 数字电源电压v d d = 3 3 v 输入高电平 v n 、丁h 1 2 0 3 3v 输入低电平 v i n loo 8v 数字电源电压v d d = 5 v 输入高电平 i i n h 22 55 0u a 输入低电平 i i n l 2 00 8u a 输出 输出电阻r o n 1 82 2 q i o u t = 士i 0 a 输出漏电流 i l e a k 1 0u a 电流 r n f xr e f 输入电流 i r n fr e f2- 0 6u ar n f = 0 v r n f x 输入电流 i r n f4 02 0 u a v r e f x 输入电流 r e f 1o 1u av r e f = 0 v 也f x 输入电压 也f02 ov m t h x 输入电流 i m t h一1_ 0 1u am t h x = 0 v m t h x 输入电压范围m t h 0 2v 比较器阈值( 1 0 0 ) c t h l l 0 3 40 40 4 6vv r e f = 2 v , 1 0 x = l ，i l x = l 比较器阈值( 6 7 ) c 。l h l l 0 2 2 70 2 6 7 0 3 0 7v v r e f = 2 v , 1 0 x = h ，i lx - - - l 比较器阈值( 3 3 ) c t h l l 0 1 1 3o 1 3 3 0 1 5 3v v r e f = 2 v , 1 0 x = l ，ilx - h 最小o i l 时间 t d n 0 3o 71 2l l s r = 3 9 k o ， c = 1 0 0 0 p f 注：马达电源工作电流为，断开负载，且马达控制部分正常工作时流过马达电源电压v m 的 电流 基于p w m 两相步进马达驱动i c 的设计 2 2 1 芯片系统工作原理 2 2 芯片工作原理 芯片为两通道的步进马达，两个通道的结构以及工作原理完全相同在这里我 们只须分析一个通道。驱动芯片的目的就是要控制步进马达的绕组电流，使其按 一定的规律变化，进而使马达运行更加平稳，且步距角的控制更加精细。我们采 用的方案是定电流p w m 控制h 1 ，用p w m 斩波电路实现恒流斩波控制，以获得良好的转 矩一频率特性。如图2 2 所示，其中，v r e f l 、1 0 1 、1 0 2 、p h a s e l 、m t h 及c r i 为通道 的输入信号，p h a s e 决定着马达的正转反转，v r e f l 、1 0 1 及1 0 2 贝u 决定着流入马达 电流的大小( 即转速) ，m t h 决定着马达的电流衰减模式，r n f l 一r e f 为电流检测端， 实现方式为电流反馈式的p w m 驱动( c u r r e n t f e e d b a c kp w md r i v e ) 。 图2 2 电路系统工作原理图 它的工作原理主要时通过检测电阻r s 检测负载马达上的电流( 由于输出电流 直接落到r s 上，所以r n f l 上的电压直接反映了输出电流的大小) 并通过电压的型 式反馈到内部限流比较器( c u r r e n tl i m i tc o m p ) 的反相端；同时来自外部的数 字控制信号( i o l ，1 0 2 ) 把v r e f l 输入电压( 经两位的d a c ) 转换成某一满足特定关 系的模拟电压信号( b u f f e r o u t ) ，输入到比较器的同相端，由于b u f f e r o u t 的关 系输出电流被设定。c r i 端并接电阻和电容到地，通过内部控制它的充放电实现固 定的关断时间和n o i s ec a n c e l 时间( 2 3 节有详细介绍) 。 第二章芯片系统原理及运用 2 2 2 工作过程 在电流极性控制信号到来之前，逻辑门电路处于关门状态，h 桥输出级功率开 关管全部关断。当电流极性控制信号到来后，通过逻辑电路，使得h 桥功率变换电 路的一组对角线开关管导通，高电压经开关管向电动机绕组供电，形成一定方向 的输出电流i s ，与此同时c r 端开始充电，并使o n e s h o t 的一输出信号为低，输入到 l o g i c 里使r s 触发器置“1 ，输出电流一直上升，由于输出电流落在采样电阻r s 上，r s 上的电压上升，一旦r s 上的电压上升至u d a c 输出电压b u f f e r o u t ( 电流限制 值) 时，限流比较器输出电压翻转， 使触发器复位，输出级功率开关管关 l 断。开关管关断后，由于负载电感的 储能作用，电流先通过h 桥上的续流二 极管续流，然后输出级功率管打开电 流衰减，同时c r 端放电，当c r 端放电 到0 4 v 时，o n e s h o t 的输出信号改变， 输人n r s 触发器，r s 触发器又被置位， 并使相应输出级功率开关管导通，绕 组电流重新开始增加，周期循环，从 而使输出维持恒定的电流。输入控制 信号与输出电流的关系如图2 3 所示。 厂 b m i 三f 习三e 薯0 戮0 。一。一一一一。0 图2 3 控制信号及输出电流时序图 2 3 芯片基本特性描述 2 3 1 电流设定及开关时间 ( 1 ) 输出电流峰值设定控制 输出电流的峰值i o u t 由输入信 号i o ，1 1 ，v r e f 及外接电阻r 。决定 l o u t = ( v r e f x ) 5 r s 表2 3x 的值与i o i l 关系 1 0i lx l l l hlo 6 7 lh0 3 3 hho ( 2 ) 关断时间( t o f f ) c r 端子电压在输出晶体管导通时嵌位在约o 9 v ，当输出电流使r n f l 一r e f 电压 达到电流限制值时，限流比较器输出信号翻转，控制o n e s h o t 使c r 端子放电到0 4 v 左右，一旦达n 0 4 v ，o n e s h o t 的输出信号改变，通过l o g i c 控制使输出晶体管再 次导通，同时c r 端子会再次充电。c r 端子电压波形如图2 4 所示。 堑基于p w m 两相步进马达驱动i c 的设计 ( 3 ) n o i s ec a n e d 功能 输出晶体管开始导通时会引起输出电流的过冲产生毛刺( s t a n d b yn o i s e ) ， 为了避免电流检出误工作，会设定n o i s ec a n c e l 时间t o n 值，使从输出级功率开关 管开启起至u n o i s ec a n c e l 止的这段时间内电流检出无效。n o i s ec a n c e l 时间是最 小的o n 时间，从o 4 v 0 8 v 充电所需时间把它当作n o i s ec a n c e l 时间t o n 。 5 叽rb y 舢i - c c r 靖电压 电流限制值 0 h i a 电流暇制值 g n d 、 i 。 ! | l 一j 一l j f - 、上一 旷v 矿 i f - - ：放电区问：t o 曩 io n i 图2 4c r 电压r n f 电压和输出电流时序波形图 ( 4 ) 关于关断时间( t o f r ) 及n o i s ec a n c e l 时间( t o n ) 的选择 由于关断时间( t o f f ) 及n o i s ec a n c e l 时间( t o n ) 主要由c r 端电阻和电容决 定，所以要注意对c r 电阻及电容的选择，如果c r 端电阻的阻值过低，将会使c r 端 达不n n 0 9 v 的嵌位电压，要使用1 5 kq 以上的电阻，建议使用1 5 k 1 0 0 k 。如果c r 端电容使用数千p f 以上的电容时，n o i s ec a n c e l 时间t n 会交长，且由于马达线圈 阻抗和电流限制值的关系，输出电流会损失掉一部分电流。当t o f f 设定较长时， 输出电流的纹波较大，会造成平均电流下降，回转效率变低，这一点需要注意一 下，建议使用4 7 0 p f 3