步进电机驱动器
TLE472x 系列步进电机驱动器
电流控制方法及精度
1摘要:本文详细介绍了TLE472x 系列步进电机驱动器电流控制方法,专门讨论了保证控制精度的方法。
2 背景介绍
TLE472x-Family 系列步进电机为两极、两相、电流控制式电机,见图1。
图1 TLE 4729模块图
3 电流控制方法
通常来说控制步进电机绕线电流的方法有3种。
3.1 用确定的下降时长控制峰值电流
这种方法中,输出电流一旦达到所需的目标值,H-桥立刻转变为惯性(自由) 状态(freewheel-condition)。H-桥保持断开状态,直到确定的下降时长toff 过后即刻自动转换为闭合状态(见图2) 。从而使输出电流的峰值与所需求值保持相等。
图2固定下降时间控制峰值电流
3.2 用固定频率控制峰值电流
这种方法中,输出电流一旦达到所需的目标值,H-桥立刻转变为惯性(自由) 状态(freewheel-condition)。但与第1种方法不同的是,下降时间不是固定值,而是每1/f时间间隔H-桥就转换为闭合状态,f 为斩波频率,如图3所示。这种方法的优势在于斩波频率是固定的,也就是说其大小与负载特性及供电电压无关(换种说法也就是与下降时长toff 无关) 。TLE 472x系列驱动器用的就是这种方法。
图3 固定频率控制峰值电流
3.3 电流平均值控制法(电流模式控制)
这种方法被认为有严重不足:一般情况下,有效的输出电流平均值比目标电流小。通过选用合适的滤波器和比较仪,这种控制方法更多地应用于输出电流平均值与目标电流相等的情况,如图4所示。
图4电流模式控制
然而,用这种方法时必须选用适合负载特性的过滤原理,所以单一的完整IC 方案是不可能(满足要求) 的。因此,TLE 472x系列并没应用这种模式。
4 应用
根据以上所述,定频率峰值电流控制方法被应用在TLE
472x 系列步进电机驱动器。应用的简化原理图如图5所示。
图5 电流控制法应用简化图
图中所示振荡器通过振荡频率fosc 设置或非门输出为高电平。因而每1/f周期,接收三极管转换为导通状态。
根据输入信号Ixx ,产生参考电压Vref ,见下表:
这个参考电压通过感应电阻Rref 与电压降进行比较。一旦Iout ×Rsense=Vref,或非门就转换为低电平,然后接收三极
管变为低电平,H-桥变为惯性状态(freewheel-condition)。也就是说所需输出电流是:
Itarget=Vref/Rsense
5. 精度
实际输出电流值的精度依赖于以下各量的精度:
① 内部比较仪参考电压Vref
② 外部感应电阻
③ 电流纹波
5.1 Vref和 Rsense 的精度
Vref 的精度已经在数据表及上面的表格中给出。例如,名义电压为450mV 的点,电压波动范围为-9%-13%,因为输出电流Iout 与参考电压Vref 线性相关,所以输出电流Iout 也应达到此精度要求。
感应电阻也是这样。感应电阻的精度与输出电流Iout 的精度线性相关。
5.2 电流纹波
正如刚刚所解释的,那种控制方法导致平均电流比所需的目标电流小,因为峰值电流被限制在了目标电流上。假设DI 表示电流纹波,平均电流如下:
Iout,mean=Itarget-DI/2
图6 电流纹波、峰值及平均值
为了终止电流纹波,我们必须利用负载电感计算电压降。
5.2.1 充电(di/dt)
电流斜率大于0时(充电) ,我们用以下电路:
图7 电路(充电状态)
Vs=VsatuC+UL+R*Iout+Vsatl+Rsense*Iout
我们关心的是电流斜率:
(di/dt)c=UL/L= (Vs-VsatuC –Vsatl-(R+Rsense)*Iout)/L 用一个例子代入此公式计算:
Vs=12V,Rsense=1.3ohm,Iout=315mA,R=8ohm,L=4mH
根据数据表(选用Iout=450 mA)可以得出
VsatuC=1V, Vsatl=0.3V, 代入后一个公式得:
(di/dt)c=(12-1-0.3-2.92)V /4mH=1.95A/ ms
5.2.2 放电(di/dt)
电流斜率小于0时(放电) ,我们用以下电路:
图8 电路(放电状态)
-UL=R*Iout+VFu+VsatuD
(di/dt)d=(R*Iout+VFu+VsatuD)/L
根据上面假设的参数,得:
(di/dt)d=UL/L=-(2.52+1+0.3)V/4 mH=-0.96 A/ ms
5.2.3 ton 、toff 和纹波
通过确定(di/dt)的近似值,我们可以粗略估算出导通时间ton 和断开时间toff 。
图9
ton+toff=1/fosc
(di/dt)c* ton=(di/dt)d* toff=DI
可得:
ton=(1/fosc)/{[(di/dt)c/(di/dt)d]+1}
toff=1/fosc- ton
DI=(di/dt)c* ton
继续上面的例子,设fosc=25kHZ,得:
ton=40μs/{[1.95/0.96]+1}=13.2μs
toff=40μs- ton=26.8μs
由结果可知,导通时间比断开时间小得多。原因是(较高)供应电压被用来给线圈充电,然而在惯性(自由) 状态(freewheel-condition),仅仅是通过负载感应电阻和功率三极管的(较低的)电压降决定着电流变化率(di/dt)。 最后,我们可以得出电流纹波:
DI=(di/dt)c* ton=25.7 mA
6. 结论
应用在TLE472x 系列步进电机驱动器上的电流控制方法已经介绍完毕。得出了一个确定电流纹波的近似公式,进而得出输出电流平均值与目标电流值间的误差,并执行了一个典型的例子。