CN105897088B - 一种pwm斩波恒流控制的自动衰减控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PWM斩波恒流控制的自动衰减控制电路，包括逻辑控制电路、比较器、栅级驱动模块、电流检测电路、H桥输出级及感性负载，所述逻辑控制电路包括核心逻辑模块、自衰减控制模块和时间信号模块；所述核心逻辑模块与所述自衰减控制模块相连，所述时间信号模块与所述自衰减控制模块相连；所述自衰减控制模块被配置为通过内部算法将台阶信号和所述比较器的输出信号转化成控制信号，所述控制信号通过所述时间信号模块输出到所述栅极驱动模块。本发明实现了对步进电机斩波恒流工作模式下电流衰减模式的自动控制，减小了马达的电流波动，优化了电机的平稳运行，降低了电机的噪声，同时提高了电机的转速，适合应用于高速高精度的马达驱动电路。

Description

一种PWM斩波恒流控制的自动衰减控制电路

技术领域

本发明涉及电机驱动领域，尤其涉及一种应用于步进电机驱动芯片的PWM斩波恒流控制的自动衰减控制电路。

背景技术

在电力作为主要能源的今天，马达电机的应用无处不在，在电机驱动应用中，步进电机由于其能精确控制电机的转动位移和转动的速度，得到了日益广泛的应用。伴随着用户对功能和性能的更高需求，需要进一步改善电机工作的稳定性、效率、带载能力、高转速等性能，各种改善电机工作状况的控制方法不断涌现。

驱动控制步进电机的技术从起初的直流马达驱动，发展为H桥同步整流驱动，再由全步进控制升级为正弦波近似的微分步进控制，再提出了PWM斩波恒流技术稳定步进台阶上的电流，在斩波恒流的电流衰减阶段使用了固定衰减时间的快慢衰混合衰减方式优化步进台阶上的电流纹波，不同的衰减组合优化了马达电流的稳定性。

现有的步进马达驱动技术，衰减的控制方式一般通过外接的控制管脚，通过不同的元件值和输入电压选择不同的衰减组合，比如在电流增大阶段一般采用慢衰减，电流减小阶段采用不同方式的组合，具体可以参看图1所示：以1/2步进为例，Ton为电流充电时间，Toff为固定衰减时间，Tfast为快衰时间，Tslow为慢衰时间，且有Toff＝Tfast+Tslow，Tblank为屏蔽时间；

由图1中波形，实线为正弦波曲线，我们发现电流在增大阶段上升速率很快，而在下降阶段由于电流慢衰速度远远小于充电速度，使得原本需要的正弦近似波形变形了，如图中虚线所示，衰减阶段时间拉长了，不再正弦近似，违背了我们微分整流的初衷，而其中产生这种结果的就是慢衰时间Tslow和Tblank时间。

要解决波形变形问题，加入快衰减时间，根据H桥驱动的工作原理，我们已经知道快衰的速率稍大于充电的速率，快衰时间的增加使得电路快速衰减达到下一个稳定台阶，可以解决衰减阶段时间太长问题，合理选择Tfast和Tslow比例，能使得电流上升下降沿的斜率近似相同，得到近似正弦的电流梯度。但加入快衰时间会在台阶上引起较大的电流波动，衰减时间占比越大，波动越大，马达运转不稳定噪声大。

另外，不同的电流相邻台阶高度差不同，在小台阶高度差下，电流会出现因为快衰时间大引起电流直接跳到第三个台阶的问题(如图2所示)，会引起失真问题，怎么优化此种情况；大台阶高度差时(如图3所示)，则出现了衰减时间过长引起正弦近似失真问题。

即使在同一台阶内部，当马达驱动电压升高，或者使用小电感的马达时，充电速率增大了，但衰减速率不变，或者将固定衰减时间减小了，驱动电路都将会出现以下图4的问题波形，在Ton(min)时间内，马达电流冲上去了，但在固定的衰减时间内，由于是衰减速率不够，电流未能衰减到电流台阶值以下，使得PWM斩波功能不能正常工作。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型的应用于步进电机驱动芯片的PWM斩波恒流控制的自动衰减控制电路，从衰减方式的角度重新设计，以优化电机驱动的性能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现电机电流的平稳低噪运行。

为实现上述目的，本发明提供了一种PWM斩波恒流控制的自动衰减控制电路，包括逻辑控制电路、比较器、栅级驱动模块、电流检测电路、H桥输出级及感性负载，所述逻辑控制电路包括核心逻辑模块、自衰减控制模块和时间信号模块；所述核心逻辑模块与所述自衰减控制模块相连，所述时间信号模块与所述自衰减控制模块相连；所述自衰减控制模块被配置为通过内部算法将台阶信号和所述比较器的输出信号转化成控制信号，所述控制信号通过所述时间信号模块输出到所述栅极驱动模块。

进一步地，所述内部算法为当所述台阶信号发生变化时，对PWM周期复位开始计数为第1个周期，设置第一个PWM周期内混合衰减模式为Tfast＝1Tblank，同时对所述比较器的输出信号进行监测；如果所述比较器未翻转，则将第2周期内的Tfast＝2Tblank，如果所述比较器仍未翻转，则设置第3个周期内Tfast＝25％Toff，同时去掉了Tslow时间，直接由快衰转为Tblank时间；如果仍未监测到所述比较器翻转，继续控制下一周期内Tfast＝25％Toff；如果在任一个PWM周期内，监测到所述比较器翻转，下一周期内的衰减模式设为慢衰，重新开始计数。

如图5所示，本发明所述电路基于混合衰减模式，通过设置不同的快慢衰比例自动调节不同工作情况下的衰减组合，优化小电流台阶的转换也优化了大台阶的转换，同时减小了台阶内的电流纹波。电流在整个充放电周期内(一个PWM周期＝Ton+Toff，Ton为充电时间大小不固定，Toff为总衰减时间大小固定，Toff＝Tfast+Tslow)，当电流台阶发生变化时，对PWM周期复位开始计数为第1，设置第一个PWM周期内混合衰减模式为Tfast＝1Tblank，同时对比较器的输出进行监测，如果比较器未翻转，则将第2周期内的Tfast＝2Tblank，如果比较器仍未翻转，则设置第3个周期内Tfast＝25％Toff，同时去掉了Tslow时间，直接由快衰转为Tblank时间；如果仍未监测到比较器翻转，继续控制下一周期内Tfast＝25％Toff；如果在任一个PWM周期内，监测到比较器翻转，下一周期内的衰减模式设为慢衰，重新开始计数；具体转变波形如图5所示。转换曲线为自动控制衰减曲线，而虚线为快慢衰固定比例的混合衰减曲线，Tfast：Tslow＝50％Toff。

分析图中的波形可以看到，第一个PWM周期，快衰减时间为1Tblank≈1us，避免了较长时间的快衰，使得小台阶的电流纹波进一步减小，图2问题不再出现。如果1Tblank快衰减时间过小没有实现比较器翻转，则第二个PWM周期内，Tfast＝2Tblank，依次增加，避免了出现图4的波形；对于图3中的波形，通过图5的对比可以发现，加快了大台阶的转换速度，

对比图中实虚曲线，发现在实线上，50％占空比的固定比例混合衰减起到的效果都不如本发明的自动衰减控制的效果好，且50％的固定比例混合衰的电流波动明显比自动衰减控制的波动大。如果使用25％的固定比例混合衰减，衰减时间更长，我们想要的近似正弦波形的电流转换梯度失真将更大，而要保证能得到正常的台阶梯度，只有降低马达转速。而自动衰减模式的实现将大大优化以上所列举的问题。

如图6所示，设计了自动衰减控制模块auto decay，该模块在STEP和比较器输出COMP_O的作用下，通过内部逻辑控制，产生四个控制信号slow、Tb、2Tb、25％Toff；模块电路Toff&Tfast产生Toff和不同大小的Tfast时间信号，通过auto decay的控制信号选择输出不同的Tfast，经内部逻辑综合输出控制到栅极驱动模块GATE_D，产生控制H桥的DMOS管四个控制位，电路在闭环工作的情况下检测流经电阻Rs的电机电流，完成PWM斩波恒流功能。本发明实现了自动选择衰减时间的功能，实现图5中所示实线的波形，稳定了马达的电流纹波，同时也提高了马达的转速上限。

本发明实现了对步进电机斩波恒流工作模式下电流衰减模式的自动控制，减小了马达的电流波动，优化了电机的平稳运行，降低了电机的噪声，同时提高了电机的转速，适合应用于高速高精度的马达驱动电路。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的斩波恒流电流台阶和对应的时间定义图；

图2是小台阶电流差异时的波形图；

图3是大台阶电流差异的波形图；

图4是台阶内的慢衰减波形图

图5是自动衰减控制模式和固定的快慢衰混合衰减电流波形图；

图6是本发明一个较佳实施例的马达线圈电流的控制环路原理图。

具体实施方式

如图6所示，首先设计了自动衰减控制模块auto decay，该模块在STEP和比较器输出COMP_O的作用下，通过内部逻辑控制，产生四个控制信号；设计模块电路Toff&Tfast，产生Toff和指标要求大小的Tfast时间以及Tblank时间。通过auto decay的内部算法，将需要的工作模式转换为对应的控制信号slow、Tb、2Tb、25％Toff，控制信号在电路Toff&Tfast中选择输出不同的Tfast，经内部逻辑综合输出控制到栅极驱动模块GATE_D，GATE_D产生四个控制位控制H桥的DMOS管，电流实现导通关闭。电流Im流经DMOS，通过在下管DMOS源极到地之间串接检流电阻Rs检测电机电流大小，电压Vsense＝Im*Rs；电路内的DAC模块提供了微分步进细分电压台阶，电路在闭环工作的情况下检测流经电阻Rs的电机电流，经过比较器与DAC输出电压进行比较，通过自动衰减控制完成PWM斩波恒流功能。

本发明主要是通过auto decay模块和Toff&Tfast模块实现自动选择衰减时间的功能，当电路上电工作开始，当电流台阶发生变化时，对PWM周期复位开始计数为第1，设置第一个PWM周期内混合衰减模式为Tfast＝1Tblank，同时对比较器的输出进行监测，如果比较器未翻转，则将第2周期内的Tfast＝2Tblank，如果比较器仍未翻转，则设置，第3个周期内Tfast＝25％Toff，同时去掉了Tslow时间，直接由快衰转为Tblank时间；如果仍未监测到比较器翻转，继续控制下一周期内Tfast＝25％Toff；如果在任一个PWM周期内，监测到比较器翻转，下一周期内的衰减模式设为慢衰，重新开始计数；

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种PWM斩波恒流控制的自动衰减控制电路，包括逻辑控制电路、比较器、栅极 驱动模块、电流检测电路、H桥输出级及感性负载，其特征在于，所述逻辑控制电路包括核心逻辑模块、自衰减控制模块和时间信号模块；所述核心逻辑模块与所述自衰减控制模块相连，所述时间信号模块与所述自衰减控制模块相连；所述自衰减控制模块被配置为通过内部算法将台阶信号和所述比较器的输出信号转化成控制信号，所述控制信号通过所述时间信号模块输出到所述栅极驱动模块；所述内部算法为当所述台阶信号发生变化时，对PWM周期复位开始计数为第1个周期，设置第一个PWM周期内混合衰减模式为Tfast＝1Tblank，同时对所述比较器的输出信号进行监测；如果所述比较器未翻转，则将第2周期内的Tfast＝2Tblank，如果所述比较器仍未翻转，则设置第3个周期内Tfast＝25％Toff，同时去掉了Tslow时间，直接由快衰转为Tblank时间；如果仍未监测到所述比较器翻转，继续控制下一周期内Tfast＝25％Toff；如果在任一个PWM周期内，监测到所述比较器翻转，下一周期内的衰减模式设为慢衰，重新开始计数，其中Toff为固定衰减时间，Tfast为快衰时间，Tslow为慢衰时间，且有Toff＝Tfast+Tslow，Tblank为屏蔽时间。