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用于 步进 电机 驱动器 稳态 触发器 设计

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7 2014 20设计与研发 用于步进电机驱动器的单稳态触发器设计 张明星1 王良坤1 2 陈路鹏2 1 中国科学院微电子研究所 北京 100029 2 杭州中科微电子有限公司 杭州 310053 摘要 针对两相双极型步进电机驱动器 设计了一款单稳态触发器 实现设置合理的固定衰减时间 遮掩时间 并且提供快衰 减 慢衰减和混合衰减三种衰减模式 供驱动器根据电机运行速度进行智能选择 有效提高电机运行性能 基于 0 35 m BCD 工艺参数 运用 HSPICE 仿真软件进行仿真 结果表明电路稳定有效 关键词 步进电机 单稳态触发器 遮掩时间 衰减模式 中图分类号 TN453 文献标识码 A 文章编号 1000 7180 2008 xx xxxx x Design of monostable trigger for Stepper Motor Driver Zhang Mingxing1 Wang Liangkun1 2 Chen Lupeng2 1 Institute of Microelectronics the Chinese Academy of Sciences Beijing 100029 CHN 2 Hangzhou Zhongke Microelectronics Co Ltd Hangzhou 310053 CHN Abstract This paper presents a monostable trigger for bipolar stepper motor to produce suitable fixed off time blanking time Moreover it also provides three kinds of decay modes such as fast decay slow decay and mixed decay for driver to choice based on the speed of stepper motor in order to its improve the running performance The HSPICE simulation results through the 0 35 m BCD technology are given here The results of experiment verify the feasibility of the circuit Keywords Stepper Motor Monostable Trigger Blanking time Decay Mode 0 序言 目前电机特别是步进电机 对步距角的控制基本上都采用角 度细分法 将电机线圈中电流按正弦波离散化后得到电流点作为 细分点 然后利用斩波法实现电机线圈的横流输出 具体就是当 检测到电机线圈电流达到设定的细分点后 立刻控制电机线圈进 入固定时间的衰减过程 使电流 钳位 在该细分点处 电机线圈电流衰减分多种模式 并各具特点 快衰减模式电 流控制能力强 但震动大 噪音高 慢衰减模式虽然噪音低 但电 流控制能力弱 混合衰减模式 即衰减过程先后采用快衰减和慢 衰减 则兼具两者特点 因此需要根据电机运行速度不同 选择不 同的衰减模式 例如高速时采用快衰减 否则会导致电机无力 严 重时出现丢不 失步现象 低速时采用慢衰减 不然将导致电机 震荡剧烈 噪音大 其他情况采用混合衰减 即减小噪音又减少 丢步情况 因此 本文设计了一款用于两相双极型步进电机驱动芯片的 常 0 积分性单稳态触发器 采用高压 BCD 工艺实现 利用外接 RC 电路计时 输出固定宽度的脉冲 VO1作为固定衰减时间 toff 根据 参考电压 VPFD不同产生可调宽度的脉冲 VO2作为快衰减时间 toff 实现衰减模式可调 此外 为驱动双极型步进电机 功率放大电路需要采用全桥 结构 由于功率管内寄生的体二极管的反向恢复电流影响 在电 机线圈从衰减状态到充电状态转换过程中 采样电流会出现较大 的尖峰脉冲 导致单稳态触发器误触发 因此需要设置适当的遮 掩时间 tblank 且该遮掩时间不能过长 否则将增加控制电路反应 时间 严重时会导致丢步现象 这里单稳态触发器的恢复时间 tre 作为遮掩时间 tblank 设计值在 1us 左右 1 单稳态触发器设计 对于单稳态触发器设计原理有很多论述 本文所设计的常 0 积分型单稳态触发器具体电路如图 1 图 2 所示 它是上升沿触 发的 并且不可重复触发 其中 Rt和 Ct是芯片外接的电阻电容 VPFD为芯片外部参考电压 图 1 所示的定时电路主要实现对外接 RtCt电路充放电控制和对其端电压的比较输出 并与图 2 所示的 8 2014 20设计与研发 数字逻辑电路电路构成反馈结构 实现电路稳态与暂稳态之间的 切换 如图 1 2 所示 当 VO1为高电平时 MP7 管关闭 外接电容 Ct通过 Rt放电 由于 VB高于 V2一个 PNP 管发射结阈值电压 Vbe 在外接 RtCt放电过程中 若 VRC电压低于 V2 忽略 PNP 管和 NPN 管发射结阈值电压的差异 Q2 发射结压降超过阈值电压而导通 MP3 管电流增大并镜像到 MN4 上 这里选取 MN3 MN4 宽长比比 例为 1 10 MN4 管电流很快增大到远大于 MP5 管电流 comp1 将由高电平迅速切换到低电平 表示暂稳态结束 VO1被复位为 低电平 MP7 管打开 此后电源 VCC通过 MP7 管和电阻 R5对外接 RtCt电路充电 若 VRC电压充电到高于 V1 Q3 导通 comp2 变为 低电平 同时 MN6 管打开 将 VRC 电压嵌位到 V1 表示电路切换到 稳态 当单稳态触发器处于稳态时 遇到输入信号 Vi上升沿后 输出脉冲 VO1会被置位为高电平 电路就从稳态切换到暂稳态 图 2 数字逻辑电路 因此 输出脉冲 VO1的宽度 tW O1 等于电容 Ct通过电阻 Rt从 V1放电到 V2的时间 这里 V1 V2分别设置为 0 6VCC 0 21VCC 可 以得到 tW O1 的表达式 如公式 1 所示 1 而恢复时间 tre的时间是电容 Ct从 V2充电到 V1的时间 设 MP7 管的导通电阻为 RON 由于 RON R5相对 Rt很小 忽略 Rt影响 得到 tre的时表达式 如公式 2 所示 选取合适的 MP7 管尺寸和 2K 左右的 R5阻 使得 tre近似为 1400Ct 2 而分辨时间 td则是电路中 comp2 的脉冲宽度 即是 VO1脉冲 宽度和 tre时间之和 它的表达式如公式 3 所示 如图 2 所示 在 分辨时间内 输入信号 Vi上升沿是被屏蔽的 3 如图1 2所示 若VRC电压高于VPFD Q5关闭 comp3为高电平 而 VRC电压低于 VPFD时 Q5 打开 comp3 变为低电平 输出 VO2的 只有在 VO1和 comp3 同时为高电平时才为输出高电平脉冲 因此 输出脉冲 VO2的宽度 tW O2 与 VREF的取值范围有关 当 VPFD取值在 V1 V2在之间时 表示采用混合衰减模式 其中快衰 减时间 toff即 tW O1 的表达式如公式 4 所示 4 而当 VPFD大于 V1时 tW O2 取为零 表示采用慢衰减模式 VPFD小于 V2时 tW O2 与 tW O1 相等 表示采用快衰减模式 enable 为单稳态触发器的使能信号 当其为低电平时 MN7 打开 电路停止工作 并且外接 RtCt电路快速放电 直到 enable 重新变为高电平 此外 为了增加电路稳定性 可以在输入信号 Vi之前添加延 迟电路 以屏蔽由于噪音干扰在输入信号 Vi上引起尖峰脉冲 防 止单稳态触发器误触发 2 仿真验证结果 本文基于华虹 0 35us 的 BCD350 工艺下 利用 cadence 平台 中的 Spectre 仿真器进行仿真 取电源电压 VCC为 5V 外接电阻 Rt为 56K 电容 Ct为 680pF VPFD分别为 0V 2V 5V 时 那么 输出脉冲 VO1宽度 tW O1 的理论值为 38us 输出脉冲 VO2宽度 tW O2 的理论值分别为 38us 15 4us 和 0us 恢复时间 tre的理论值为 952ns 在 tt 工艺角 温度为 27 仿真结果如图 3 所示 仿真结果表明 tW O1 为 39us VPFD取 0V 2V 及 5V 情况下 图 1 定时电路 9 2014 20设计与研发 tW O2 分别为 39us 15 7us 和 0us tre为 954ns 与上述仿真取相同器件 输入参数 且 VPFD取 2V 情况下 在 温度取 40 150 不同工艺角 ff ss 和 tt 下仿真 结果如 表 1 所示 可知恢复时间 tre在不同工艺角下变化较大 这主要是 由于电阻R5受工艺影响较大 其他参数变化幅度在5 范围以内 3 结束语 文中以 RC 为定时单元 设计了一款不可重复触发常 0 积分 型单稳态触发器 用于实现步进电机线圈电流的斩波控制 基于 0 35 mBCD 工艺的仿真验证结果表明输出脉冲宽度 恢复时间 参数合理有效 并且可以很大范围的选择衰减模式 提升电机运 行性能 参考文献 1 Erisson Industrial Circuits Application Note Microsteppong Z 2003 4 4 2 Ballan H Declercq M High Voltage Devices and Circuit in Standard CMOS Technologies M Netherland Kluwer Academic Publisher 1999 52 75 3 姚茂群 沈继忠 朱志刚 单稳态触发器的结构及其开关级 设计原理 J 电路与系统学报 2005 10 6 84 87 4 任骏原 基于状态转换图的 555 单稳态触发器设计方法 J 杭州大学学报 自然科学版 2011 38 4 177 181 5 徐丽燕 毕净 沈继忠 双边沿单稳态触发器设计 J 杭州 大学学报 理学版 203 30 6 646 650 作者简介 张明星 ZHANG Mingxing 男 1989 年生 中国科学院微电 子研究所硕士生 主要研究方向数模混合集成电路设计 图 3 VPFD分别为 0V 2V 5V 时的仿真结果

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