CN217956981U - 递减关断时间的步进电机静音驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了递减关断时间的步进电机静音驱动电路，包括递减关断时间控制电路和电流斩波驱动电路，电流斩波驱动电路包括电流检测电路、比较器、电流斩波控制电路、H桥功率电路，所述递减关断时间控制电路包括电流稳态检测电路、指令切换电路和关断时间设置电路，所述电流稳态检测电路的输入端与所述比较器的输出端电性连接。本实用新型公开的递减关断时间的步进电机静音驱动电路，其替换固定的衰减时间Toff控制方式，改善传统斩波恒流驱动方案在电机低转速下台阶电流波动过大问题，使步进电机在低转速下也能更静音运转。

Description

递减关断时间的步进电机静音驱动电路

技术领域

本实用新型属于步进电机驱动技术领域，具体涉及一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路。

背景技术

斩波恒流驱动是目前步进电机最常用的驱动方式，其驱动结构如图6所示。电路由电流检测(检流)电路、比较器、电流斩波控制电路和H桥功率电路组成。检流电路检测流过步进电机线圈实际电流，输入比较器与电流指令设置的目标电流比较，比较结果输入斩波恒流控制电路；电流斩波控制电路根据设定的关断时间和比较器结果控制H桥功率电路功率管打开或关断，使流过电机线圈的电流增大或减小。如图7所示，斩波恒流调节过程由多个电流滞回过程组成。在充电阶段，功率管正向打开。电机线圈电流逐渐增大，当达到设定的电流值时，充电结束电路进入衰减阶段；在衰减阶段，功率管反向打开，使流过电机线圈电流逐渐减小；持续衰减Toff时间后，电路重新进入充电阶段。如此反复调节，使流过电机线圈的电流逐步稳定在设定电流值附近。

斩波恒流驱动采用闭环反馈控制，电流响应快，能使电机线圈电流快速稳定在设定值上。然而其固有的电流调节方式决定了电流稳定后会存在一个纹波,纹波的大小取决于Ton与Toff时间,在电流进入稳态后，Ton时间的电流上升与Toff时间的电流下降保持平衡。因此通过减小Toff时间，提高斩波频率可以有效减小稳定后的台阶电流抖动。然而，一方面过高的斩波频率会增加功率电路的开关损耗；另一方面步进电机台阶切换会存在机械震荡，过小电流滞回调节幅度也会影响步进电机位置稳定速度。

因此，针对上述问题，予以进一步改进。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供递减关断时间的步进电机静音驱动电路，其替换固定的衰减时间Toff控制方式，改善传统斩波恒流驱动方案在电机低转速下台阶电流波动过大问题，使步进电机在低转速下也能更静音运转。

本实用新型的另一目的在于提供递减关断时间的步进电机静音驱动电路，在传统固定关断时间(Toff)电流斩波驱动方案的基础上增加了递减关断时间控制电路，对电流斩波的关断时间进行控制，即电路按正常固定关断时间(Toff)的电流斩波方式调节驱动电流，但每隔一段时间电流斩波的关断时间(Toff)减小，这样在渐次递减关断时间(Toff)的电流斩波方式调节下，达到设定的电流值。相比传统固定关断时间(Toff)电流斩波驱动方案，采用本发明提出的递减关断时间(Toff)电流斩波驱动方案，驱动电流响应更快，稳定后电流文波更小，有效改善了固定关断时间电流斩波驱动方案在低转速下台阶电流文波过大问题。

为达到以上目的，本实用新型提供一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，用于改善电机在低转速下台阶电流波动过大的问题，包括递减关断时间控制电路和电流斩波驱动电路，电流斩波驱动电路包括电流检测电路、比较器、电流斩波控制电路、H桥功率电路，所述递减关断时间控制电路包括电流稳态检测电路、指令切换电路和关断时间设置电路，其中：

所述电流稳态检测电路的输入端与所述比较器的输出端电性连接并且所述电流稳态检测电路的输出端与所述关断时间设置电路的第一输入端电性连接，所述指令切换检测电路的输入端用于输入电流指令并且所述指令切换检测电路的输出端与所述关断时间设置电路的第二输入端电性连接，所述关断时间设置电路的第三输入端输入初始关断时间参数；

所述关断时间设置电路的输出端与所述电流斩波控制电路的第二输入端电性连接，所述电流斩波控制电路的第一输入端与所述比较器的输出端电性连接，所述比较器的负极输入端用于输入电流指令并且所述比较器的正极输入端通过所述电流检测电路连接步进电机的电流采样端，所述电流斩波控制电路的输出端通过所述H桥功率电路与步进电机的驱动端电性连接。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述指令切换检测电路包括寄存器U1和异或单元U2，所述关断时间设置电路包括移位器U3，其中：

所述寄存器U1的输入端(D端)和异或单元U2的第一输入端均与输入的电流指令连接，所述寄存器U1的输出端(Q端)与所述异或单元U2的第二输入端电性连接，所述异或单元U2的输出端与所述移位器U3的第二输入端(Load)电性连接。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述电流稳态检测电路包括稳态计数器U4，所述稳态计数器U4的输入端与所述比较器的输出端电性连接并且所述稳态计数器U4的输出端与所述所述移位器U3的第一输入端(shift)电性连接。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述电流检测电路包括检测电阻R1，所述比较器的正极输入端与所述检测电阻R1电性连接并且所述比较器的负极输入端通过DAC模块连接电流指令。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述电流斩波控制电路包括时间计数器U5和逻辑及前级驱动电路，所述移位器U3的输出端和所述时间计数器U5的输入端电性连接并且所述时间计数器U5与所述逻辑及前级驱动电路电性连接。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述H桥功率电路包括功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4，其中：

所述功率管Q1的栅极(P1端)与所述逻辑及前级驱动电路的P1端电性连接，所述功率管Q2的栅极(P2端)与所述逻辑及前级驱动电路的P2端电性连接，所述功率管Q3的栅极(N1端)与所述逻辑及前级驱动电路的P3端电性连接，所述功率管Q4的栅极(N2端)与所述逻辑及前级驱动电路的P4端电性连接；

所述功率管Q1的漏极和所述功率管Q3的源极的共接端与步进电机的线圈的第一端连接，所述功率管Q2的漏极和所述功率管Q4的源极的共接端与步进电机的线圈的第二端连接，所述功率管Q1的源极和所述功率管Q2的源极连接(接电源PVDD)并且所述功率管Q3的漏极和所述功率管Q4的漏极连接(接地)。

附图说明

图1是本实用新型的递减关断时间的步进电机静音驱动电路的结构示意图。

图2是本实用新型的递减关断时间的步进电机静音驱动电路的电流调节示意图。

图3是本实用新型的递减关断时间的步进电机静音驱动电路的递减关断时间控制电路图。

图4是本实用新型的递减关断时间的步进电机静音驱动电路图。

图5是本实用新型的斩波恒流驱动电流状态示意图。

图6是现有的电流斩波驱动电路图。

图7是现有的斩波恒流驱动电流调节示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本实用新型公开了递减关断时间的步进电机静音驱动电路，下面结合优选实施例，对实用新型的具体实施例作进一步描述。

在本实用新型的施例中，本领域技术人员注意，本实用新型涉及的步进电机和电流指令等可被视为现有技术。

优选实施例。

本实用新型公开了一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，用于改善电机在低转速下台阶电流波动过大的问题，包括递减关断时间控制电路和电流斩波驱动电路，电流斩波驱动电路包括电流检测电路、比较器、电流斩波控制电路、H桥功率电路，所述递减关断时间控制电路包括电流稳态检测电路、指令切换电路和关断时间设置电路，其中：

所述电流稳态检测电路的输入端与所述比较器的输出端电性连接并且所述电流稳态检测电路的输出端与所述关断时间设置电路的第一输入端电性连接，所述指令切换检测电路的输入端用于输入电流指令并且所述指令切换检测电路的输出端与所述关断时间设置电路的第二输入端电性连接，所述关断时间设置电路的第三输入端输入初始关断时间参数；

所述关断时间设置电路的输出端与所述电流斩波控制电路的第二输入端电性连接，所述电流斩波控制电路的第一输入端与所述比较器的输出端电性连接，所述比较器的负极输入端用于输入电流指令并且所述比较器的正极输入端通过所述电流检测电路连接步进电机的电流采样端，所述电流斩波控制电路的输出端通过所述H桥功率电路与步进电机的驱动端电性连接。

具体的是，所述指令切换检测电路包括寄存器U1和异或单元U2，所述关断时间设置电路包括移位器U3，其中：

所述寄存器U1的输入端(D端)和异或单元U2的第一输入端均与输入的电流指令连接，所述寄存器U1的输出端(Q端)与所述异或单元U2的第二输入端电性连接，所述异或单元U2的输出端与所述移位器U3的第二输入端(Load)电性连接。

更具体的是，所述电流稳态检测电路包括稳态计数器U4，所述稳态计数器U4的输入端与所述比较器的输出端电性连接并且所述稳态计数器U4的输出端与所述所述移位器U3的第一输入端(shift)电性连接。

进一步的是，所述电流检测电路包括检测电阻R1，所述比较器的正极输入端与所述检测电阻R1电性连接并且所述比较器的负极输入端通过DAC模块连接电流指令。

更进一步的是，所述电流斩波控制电路包括时间计数器U5和逻辑及前级驱动电路，所述移位器U3的输出端和所述时间计数器U5的输入端电性连接并且所述时间计数器U5与所述逻辑及前级驱动电路电性连接。

优选地，所述H桥功率电路包括功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4，其中：

所述功率管Q1的栅极(P1端)与所述逻辑及前级驱动电路的P1端电性连接，所述功率管Q2的栅极(P2端)与所述逻辑及前级驱动电路的P2端电性连接，所述功率管Q3的栅极(N1端)与所述逻辑及前级驱动电路的P3端电性连接，所述功率管Q4的栅极(N2端)与所述逻辑及前级驱动电路的P4端电性连接；

所述功率管Q1的漏极和所述功率管Q3的源极的共接端与步进电机的线圈的第一端连接，所述功率管Q2的漏极和所述功率管Q4的源极的共接端与步进电机的线圈的第二端连接，所述功率管Q1的源极和所述功率管Q2的源极连接(接电源PVDD)并且所述功率管Q3的漏极和所述功率管Q4的漏极连接(接地)。

本实用新型的原理为：

本实用新型提出的递减关断时间的斩波恒流静音驱动方案，电流调节过程和固定关断时间的斩波恒流驱动方案类似，其电流调节过程如图2所示，可以看作多段固定关断时间的斩波恒流电流调节过程的组合。由于输入斩波恒流控制环路的关断时间参数逐次减半，电流斩波滞回幅值也相应减小，从而实现更小纹波的驱动电流。其关断时间减半控制举例过程如下：

1)新电流指令开始，电路在初始设置的关断时间控制下斩波调节驱动电流。

2)检测驱动电流是否进入稳态平衡；

3)电流进入稳态平衡，Toff时间减为1/2，在新关断时间控制下，继续稳定驱动电流。

4)重新检测驱动电流是否进入稳态平衡；

5)重复第3步；

6)以上过程重复4次，Toff时间减为1/16；保持不再减半；

7)在任何时候，如果电流指令发生更新，则立即回到第1步控制。

本实用新型提出的递减关断时间驱动方法由递减关断时间控制电路实现，其结构如图3所示，由指令切换检测电路、电流稳态检测电路和关断时间设置电路组成。指令切换检测电路用于检测输入电流指令的变化。电路由一组寄存器和异或电路实现，当检测到输入电流指令与寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，给出新指令开始指示信号。电流稳态检测电路用于检测驱动电流滞回调节是否进入动态平衡。电路由计数器和判断电路实现，计数器接收比较器的输出结果，每检测到一个上升沿计数器加1。当计数值达到设定的电流滞回次数时，则输出电流进入稳态的指示信号。新电流指令开始或关断时间减半后，电流稳态指示信号清除，计数器清零，重新开始计数。而关断时间设置电路则根据输入关断时间参数Tin和指令切换检测电路与电流稳态检测电路的检测结果产生新的关断时间Tout。首先，电路输出初始设置的关断时间参数：Tout＝Tin。之后，电路每检测到一次电流稳态指示信号，输出的关断时间参数减半一次：Tout＝Tout/2。直到输出的关断时间参数Tout＝Tout/16，则保持不变。在调节过程中，一旦接收到新指令开始指示信号，输出的关断时间恢复到初始设置值Tout＝Tin。

本实用新型提出的递减关断时间(Toff)的电流斩波驱动方案，只在关断时间参数设置路径上增加衰减时间控制电路，无需改变原有斩波恒流控制环路，实现简单。电路运行过程中无需额外参数修改控制，电路自动执行关断时间减半操作。另外电路能自动调节一个指令周期内关断时间减半次数。电机转速越快，每个指令执行周期越短，电路执行关断时间减半操作次数越少，甚至没有；电机转速越慢，每个指令执行周期越长，电路执行关断时间减半操作次数越多，直到关断时间达到设定的减半次数后保持不变。这种设计充分兼顾了步进电机对驱动电流响应速度和纹波的需求，在保证响应速度的前提下，减小了斩波恒流驱动方案的电流纹波，使驱动电流更精确的稳定在指令设定值附近，步进电机转动更平稳、静音。

首先，电流指令经DAC转化成模拟值输入比较器，与检流电阻的采样值比较。当采样值大于电流指令设定的电流值时，比较器输出高电平，否则输出低电平。

其次，电流斩波控制状态机根据比较器输出结果和时间计数器计数值决定电路当前所处的斩波状态。电路斩波状态分为停止状态、充电状态和衰减状态(衰减状态分为快衰减和慢衰减两种情况，如图5所示)。停止状态为电路的初始状态，此时驱动电路未工作，功率管全部处于关断状态，电路工作后立即跳出该状态。在斩波调节过程中，电路在充电状态和衰减状态之间来回切换。当检测到比较器输出高电平时，电路进入衰减状态；在衰减状态下时间计数器开始计时，当计时到关断时间控制电路输入的Tout时间时，电流斩波控制状态机跳转到充电状态。在充电状态下，时间计数器停止计时并清零，等待线圈电流增加，直到达到电流指令设定的电流值，比较器输出高电平，充电状态结束，电路重新进入衰减状态。

最后，如图4所示，逻辑及前级驱动电路将电流斩波控制状态机状态转换成对应功率管控制信号，控制H桥功率管导通或关断，驱动步进电机。在多次充电、衰减的斩波调节下，流过电机线圈的电流逐步稳定在设定电流值附近。

输入电流斩波驱动环路的关断时间Tout递减操作由移位器实现。每检测到load信号，关断时间Tin更新到移位器，输出关断时间Tout＝Tin。每检测到shift信号，移位器下移移位，输出关断时间减半Tout＝Tout/2。寄存器和异或单元(电路)构成指令切换检测电路，当检测到输入电流指令与寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，给出新指令开始指示信号load。电路由稳态计数器实现，稳态计数器接收电流斩波驱动环路的比较器结果，每检测到一个上升沿计数器加1。当计数值达到设定的电流滞回次数m时，表示电流斩波调节进入了动态平衡，则输出移位信号shift。

值得一提的是，本实用新型专利申请涉及的步进电机和电流指令等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本实用新型专利的发明点所在，本实用新型专利不做进一步具体展开详述。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，用于改善电机在低转速下台阶电流波动过大的问题，其特征在于，包括递减关断时间控制电路和电流斩波驱动电路，电流斩波驱动电路包括电流检测电路、比较器、电流斩波控制电路、H桥功率电路，所述递减关断时间控制电路包括电流稳态检测电路、指令切换电路和关断时间设置电路，其中：

所述电流稳态检测电路的输入端与所述比较器的输出端电性连接并且所述电流稳态检测电路的输出端与所述关断时间设置电路的第一输入端电性连接，所述指令切换检测电路的输入端用于输入电流指令并且所述指令切换检测电路的输出端与所述关断时间设置电路的第二输入端电性连接，所述关断时间设置电路的第三输入端输入初始关断时间参数；

所述关断时间设置电路的输出端与所述电流斩波控制电路的第二输入端电性连接，所述电流斩波控制电路的第一输入端与所述比较器的输出端电性连接，所述比较器的负极输入端用于输入电流指令并且所述比较器的正极输入端通过所述电流检测电路连接步进电机的电流采样端，所述电流斩波控制电路的输出端通过所述H桥功率电路与步进电机的驱动端电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，其特征在于，所述指令切换检测电路包括寄存器U1和异或单元U2，所述关断时间设置电路包括移位器U3，其中：

所述寄存器U1的输入端和异或单元U2的第一输入端均与输入的电流指令连接，所述寄存器U1的输出端与所述异或单元U2的第二输入端电性连接，所述异或单元U2的输出端与所述移位器U3的第二输入端电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，其特征在于，所述电流稳态检测电路包括稳态计数器U4，所述稳态计数器U4的输入端与所述比较器的输出端电性连接并且所述稳态计数器U4的输出端与所述移位器U3的第一输入端电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，其特征在于，所述电流检测电路包括检测电阻R1，所述比较器的正极输入端与所述检测电阻R1电性连接并且所述比较器的负极输入端通过DAC模块连接电流指令。

5.根据权利要求4所述的一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，其特征在于，所述电流斩波控制电路包括时间计数器U5和逻辑及前级驱动电路，所述移位器U3的输出端和所述时间计数器U5的输入端电性连接并且所述时间计数器U5与所述逻辑及前级驱动电路电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种递减关断时间的步进电机静音驱动电路，其特征在于，所述H桥功率电路包括功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3和功率管Q4，其中：

所述功率管Q1的栅极与所述逻辑及前级驱动电路的P1端电性连接，所述功率管Q2的栅极与所述逻辑及前级驱动电路的P2端电性连接，所述功率管Q3的栅极与所述逻辑及前级驱动电路的P3端电性连接，所述功率管Q4的栅极与所述逻辑及前级驱动电路的P4端电性连接；

所述功率管Q1的漏极和所述功率管Q3的源极的共接端与步进电机的线圈的第一端连接，所述功率管Q2的漏极和所述功率管Q4的源极的共接端与步进电机的线圈的第二端连接，所述功率管Q1的源极和所述功率管Q2的源极连接并且所述功率管Q3的漏极和所述功率管Q4的漏极连接。

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