眾所周知，步進(jìn)馬達(dá)能夠在開(kāi)環(huán)條件下進(jìn)行電流變向的同時(shí)，還能對(duì)速度和位置實(shí)施精確的控制。因此，在談到電子驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)便性時(shí)，步進(jìn)馬達(dá)具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。另外，同許多由一些有刷 DC 馬達(dá)或者三相無(wú)刷 DC 馬達(dá)組成的類(lèi)似伺服驅(qū)動(dòng)器相比，它還具有另一種與身具來(lái)的能力：指定位置保持。
但是，步進(jìn)馬達(dá)也存在一系列的弊端。最大的問(wèn)題便是共振。這是步進(jìn)馬達(dá)的一種特性，即指定某個(gè)步長(zhǎng)后，轉(zhuǎn)子就位時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)一定的振蕩。如果要實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)運(yùn)行，則出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是使用了過(guò)多的電流。如果使用的電流大小剛剛好，則每一步都會(huì)落在正確的位置上，不會(huì)有任何振蕩出現(xiàn)。
但不幸的是，這也意味著隨著扭矩的變化，其會(huì)引入少許的丟失步長(zhǎng)或者振動(dòng)。就此而言，速度和位置精度都會(huì)大大降低。使用比實(shí)際需要更多的電流是一種常見(jiàn)方法，因?yàn)檫@樣做可以保持步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)特性。
那么，如何消除這種討厭的振動(dòng)呢？如果我們分析這種現(xiàn)象的根本原因，便會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題在于角穿越距離。由于轉(zhuǎn)子需要移動(dòng)很多，因此它不斷地移動(dòng)，即使在我們想讓它停止時(shí)也是如此。通過(guò)讓步距變得越來(lái)越小，我們可以最小化這些振動(dòng)產(chǎn)生的影響。
通過(guò)設(shè)計(jì)，步進(jìn)馬達(dá)出廠(chǎng)時(shí)每轉(zhuǎn)便有若干步長(zhǎng)，其本質(zhì)上硬連接至其機(jī)械性能。如果步進(jìn)馬達(dá)每轉(zhuǎn)有200個(gè)步長(zhǎng)，則在指定步長(zhǎng)以后它會(huì)始終移動(dòng)一轉(zhuǎn)（1.8度）的第200個(gè)步長(zhǎng)。為了讓這種弧形移動(dòng)量更小，共有兩個(gè)選擇：1）制造一種每轉(zhuǎn)更多步長(zhǎng)的馬達(dá)；或者2）對(duì)電流進(jìn)行調(diào)制。一旦我們選擇某個(gè)特定的馬達(dá)，電流調(diào)制便成為我們唯一的備選方法。
微步進(jìn)
調(diào)制繞組電流強(qiáng)度，會(huì)改變產(chǎn)生自步進(jìn)馬達(dá)定子的磁場(chǎng)大小，使其在轉(zhuǎn)子上推拉。如果我們讓這些磁場(chǎng)的強(qiáng)度只為最大可能磁場(chǎng)（用于全步換向）的一小部分，則由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)便為全部力的一小部分。因此，步進(jìn)馬達(dá)僅移動(dòng)全步的一小部分，即微步進(jìn)。
現(xiàn)在，很容易計(jì)算出我們馬達(dá)的微步進(jìn)級(jí)別。將全步電流強(qiáng)度分成八個(gè)更小的電流量級(jí)后，馬達(dá)繞組受制于八個(gè)微步進(jìn)度。換句話(huà)說(shuō)，我們將1.8度除以8-因此每個(gè)微步現(xiàn)在便為0.225度。圖1顯示了通過(guò)在零和最大電流設(shè)置之間產(chǎn)生多個(gè)電流電平（典型正弦波波形后面），將一個(gè)全步分成八個(gè)微步的過(guò)程。
圖 1 通過(guò)調(diào)節(jié)零和最大電流之間的電流，我們可以將一個(gè)全步分成多個(gè)微步。一般會(huì)使用一個(gè)正弦波形。
盡管實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)的好處有很多，其中之一便是稍稍提高的位置精度，但最終目標(biāo)卻是解決每個(gè)全步固有振動(dòng)所帶來(lái)的問(wèn)題。微步進(jìn)的這個(gè)方面才是廣大設(shè)計(jì)人員所最為受益的。運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器上使用的微步進(jìn)度數(shù)越多，獲得的運(yùn)動(dòng)也就越溫和。這種效果在慢速條件下最有價(jià)值。
那么，我們?nèi)绾螌⑽⒉竭M(jìn)順利地嵌入到我們的應(yīng)用中呢？您會(huì)取出您的數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 或者復(fù)雜的微控制器單元 (MCU)，對(duì)您的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 編碼生成一對(duì)正弦/余弦波形，編寫(xiě)幾個(gè)中斷子程序以正確地對(duì)相位生成計(jì)時(shí)，最后使用該固件來(lái)控制兩個(gè)全H橋接，同時(shí)為雙極步進(jìn)馬達(dá)的兩個(gè)繞組供電。然而，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。
安全保護(hù)步進(jìn)馬達(dá)控制器
如 DRV8824 和 DRV8825 等步進(jìn)馬達(dá)控制器均可以支持多達(dá)32度微步進(jìn)的應(yīng)用，并且無(wú)需任何編碼。作為這種器件邏輯的一部分，一個(gè)內(nèi)部分度器產(chǎn)生步進(jìn)馬達(dá)正確雙向變向所需的所有波形。一個(gè)STEP輸入的簡(jiǎn)單方波控制后續(xù)步，而DIR輸入規(guī)定旋轉(zhuǎn)的方向。圖2顯示了如何將這種復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)壓縮成一種單片解決方案。
圖 2 具有雙極步進(jìn)馬達(dá)控制用雙功率級(jí)的一個(gè)處理單元，可以集成到一個(gè)單片解決方案中。
這兩種器件都為 100% 的引腳對(duì)引腳兼容，通過(guò)可編程最大電流服務(wù)于步進(jìn)馬達(dá)。利用下列方程式，模擬輸入、VREF以及一個(gè)外部"檢測(cè)"電阻器，用于規(guī)劃所需正弦波峰值電流：
ITRIP = VREF / (5 * RSENSE).
只要有足夠的 PCB 散熱能力，DRV8824 能夠提供高達(dá) 1.6 A 每相，而 DRV8825能夠處理高達(dá) 2.5 A 每相。為什么電流足夠低時(shí)卻仍要付出大電流的代價(jià)呢？
如果需要32度以上的微步進(jìn)，或者要求應(yīng)用100%無(wú)抖動(dòng)，步進(jìn)馬達(dá)達(dá)到這種狀態(tài)的唯一方法是使用256度微步進(jìn)高分辨率。
在這種情況下，一個(gè)沒(méi)有內(nèi)部分度器（利用它，您可以實(shí)時(shí)地控制基準(zhǔn)電壓）的器件，允許正弦/余弦波形直接運(yùn)用于功率級(jí)。換句話(huà)說(shuō)，您必須回到圖2所示的處理器和雙功率級(jí)實(shí)現(xiàn)。
獲得更好的微步進(jìn)分辨率，是遠(yuǎn)離集成與單片解決方案的主要原因之一。但是，這種實(shí)現(xiàn)還有另外一種靈活性即更好的熱阻抗，以及提供更多電流或者驅(qū)動(dòng)更強(qiáng)負(fù)載的能力。
為了證明這一點(diǎn)，讓我們從正在討論的低電流版集成微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始。通過(guò)單芯片器件驅(qū)動(dòng)的電流非常之大，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是更高的FET RDSon。H橋不斷地向馬達(dá)提供電流，而器件的內(nèi)部功耗等于I^2 * R，其中：
I為RMS，即平均繞組電流
R為飽和狀態(tài)FET電阻，即RDSon
根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，DRV8824的FET RDSon可以高達(dá)0.9歐姆。假設(shè)我們想對(duì)一個(gè)1.6 A峰值電流的馬達(dá)實(shí)施微步進(jìn)操作，則導(dǎo)電期間每個(gè)H橋的最大功耗計(jì)算方法如下：
P = I^2 * R = (1.6A * .707)^2 * 1.8 Ohms = 2.30W
注意，我們必須將1.6 A峰值乘以0.707因數(shù)[即1/SQRT(2)]，因?yàn)樯傻牟ㄐ螢檎也�，而繞組探測(cè)的電流為1.6 A峰值的RMS。另外，我們還使用了兩倍RDSon每FET，原因是有兩個(gè)FET與步進(jìn)馬達(dá)繞組串聯(lián)。漏掉的最后一步是將我們所獲得的功耗乘以2，因?yàn)樵谄骷䞍?nèi)部共有2個(gè)H橋，在馬達(dá)移動(dòng)時(shí)假設(shè)2個(gè)均為2.30 W。這樣，導(dǎo)通產(chǎn)生的總功耗便為4.61 W。
如果馬達(dá)停止，而其中一個(gè)相處于最大電流，則該相會(huì)不斷地在1.6 A電流下進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，功耗方程式現(xiàn)在變?yōu)椋?/font>
P = I^2 * R = 1.6A^2 * 1.8 Ohms = 4.61W
這代表了導(dǎo)通期間的總功耗，因?yàn)榱硪粋�(gè)H橋沒(méi)有進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。由于正弦/余弦波形對(duì)微步進(jìn)的特性，一個(gè)H橋以最大強(qiáng)度調(diào)節(jié)電流時(shí)，反向H橋必須在零電流狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者關(guān)閉。
器件的內(nèi)部功耗對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行具有重大的意義。4.61 W代表芯片的溫升，如果這種溫升較大，則熱關(guān)斷 (TSD) 保護(hù)電路很可能會(huì)生效。因此，對(duì)于一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)而言，必須要考慮如何將這種熱量驅(qū)散到周?chē)h(huán)境中，以便盡可能地讓芯片保持冷卻。
消除所謂熱阻抗（即Theta JA，結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻）的熱非常簡(jiǎn)單。熱阻抗越低，散熱越容易。Theta JA單位為C/W。將系統(tǒng)的Theta JA乘以功耗，便可得到實(shí)際溫升。
我們正研究的器件均使用一個(gè)電源板 (Power Pad)，或者位于封裝底部的散熱片，其被焊接到PCB組件中。這樣，PCB組件便成為器件的散熱器和散熱通路。如果設(shè)計(jì)正確，這種通路應(yīng)該足以驅(qū)散芯片的熱，并將溫度剛好維持在熱關(guān)斷觸發(fā)點(diǎn)以下。一種正確設(shè)計(jì)的PCB應(yīng)該具有一個(gè)四層板，以及一個(gè)專(zhuān)用接地層。但是，作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，使用的銅越多，熱阻抗也就越好。
DRV8824產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中，上述板的典型Theta JA為28 C/W�，F(xiàn)在，我們可以知道前述最大電流狀態(tài)下工作的芯片的發(fā)熱程度：
溫升= Theta JA (C/W) * Power (W) = 28 C/W * 4.61W = 129.08C
這樣的話(huà)，溫升必須加至環(huán)境溫度。25°C環(huán)境溫度下，芯片溫度應(yīng)為154.08°C左右。產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中稱(chēng)TSD閾值應(yīng)為160°C左右，并且最小值為150°C。這就是這種器件在其額定電流1.6 A以上不起一點(diǎn)作用的原因。設(shè)計(jì)人員需要降低熱阻抗，這可以通過(guò)添加外部散熱器或者增加空氣流動(dòng)（成本效益不高），達(dá)到這個(gè)目的。
但是，利用更大的功率級(jí)，可以讓RDSon變得更小。這便是DRV8825的工作原理。0.64歐姆高端到低端的RDSon最大時(shí)，可以讓芯片溫度保持更低的同時(shí)提供更多的電流。如果使用了更大的功率級(jí)，且RDSon參數(shù)越來(lái)越小，則有望獲得更大的電流容量。表1顯示了使用不同器件時(shí)的各種電流容量。
表 1 最大額定電流的不同功率級(jí)對(duì)比得到的功耗。這些器件均為單H橋，因此需要兩個(gè)來(lái)控制一個(gè)步進(jìn)馬達(dá)。
結(jié)論
新的運(yùn)動(dòng)控制和功率級(jí)IC讓您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與眾不同。DRV8x包括一系列經(jīng)過(guò)優(yōu)化的單H橋和雙H橋，可驅(qū)動(dòng)有刷DC或者雙極步進(jìn)馬達(dá)，擁有豐富的界面風(fēng)格、極高的電流處理能力，以及大量的真值表配置。
請(qǐng)使用一些穩(wěn)健、易用和靈活的器件來(lái)設(shè)計(jì)馬達(dá)型應(yīng)用，以便驅(qū)動(dòng)小型DC或者步進(jìn)馬達(dá)控制器。不同的電流容量，可確保您獲得您所需要的，而不是所有能夠使用的。一流的保護(hù)電路，可確保您的應(yīng)用本身以及最終客戶(hù)的安全。不同的界面風(fēng)格，讓您能夠從中選擇合適的一種。 |
