一種pwm斬波恒流控制的自動衰減控制電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種PWM斬波恒流控制的自動衰減控制電路，包括邏輯控制電路、比較器、柵級驅動模塊、電流檢測電路、H橋輸出級及感性負載，所述邏輯控制電路包括核心邏輯模塊、自衰減控制模塊和時間信號模塊；所述核心邏輯模塊與所述自衰減控制模塊相連，所述時間信號模塊與所述自衰減控制模塊相連；所述自衰減控制模塊被配置為通過內(nèi)部算法將臺階信號和所述比較器的輸出信號轉化成控制信號，所述控制信號通過所述時間信號模塊輸出到所述柵極驅動模塊。本發(fā)明實現(xiàn)了對步進電機斬波恒流工作模式下電流衰減模式的自動控制，減小了馬達的電流波動，優(yōu)化了電機的平穩(wěn)運行，降低了電機的噪聲，同時提高了電機的轉速，適合應用于高速高精度的馬達驅動電路。
【專利說明】
一種PWM斬波恒流控制的自動衰減控制電路
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及電機驅動領域，尤其涉及一種應用于步進電機驅動芯片的PWM斬波恒流控制的自動衰減控制電路。
【背景技術】
[0002]在電力作為主要能源的今天，馬達電機的應用無處不在，在電機驅動應用中，步進電機由于其能精確控制電機的轉動位移和轉動的速度，得到了日益廣泛的應用。伴隨著用戶對功能和性能的更高需求，需要進一步改善電機工作的穩(wěn)定性、效率、帶載能力、高轉速等性能，各種改善電機工作狀況的控制方法不斷涌現(xiàn)。
[0003]驅動控制步進電機的技術從起初的直流馬達驅動，發(fā)展為H橋同步整流驅動，再由全步進控制升級為正弦波近似的微分步進控制，再提出了PWM斬波恒流技術穩(wěn)定步進臺階上的電流，在斬波恒流的電流衰減階段使用了固定衰減時間的快慢衰混合衰減方式優(yōu)化步進臺階上的電流紋波，不同的衰減組合優(yōu)化了馬達電流的穩(wěn)定性。
[0004]現(xiàn)有的步進馬達驅動技術，衰減的控制方式一般通過外接的控制管腳，通過不同的元件值和輸入電壓選擇不同的衰減組合，比如在電流增大階段一般采用慢衰減，電流減小階段采用不同方式的組合，具體可以參看圖1所示:以1/2步進為例，Ton為電流充電時間，Toff為固定衰減時間，Tfast為快衰時間，Ts1w為慢衰時間，且有Toff = Tfast+Tslow，Tb lank為屏蔽時間；
[0005]由圖1中波形，實線為正弦波曲線，我們發(fā)現(xiàn)電流在增大階段上升速率很快，而在下降階段由于電流慢衰速度遠遠小于充電速度，使得原本需要的正弦近似波形變形了，如圖中虛線所示，衰減階段時間拉長了，不再正弦近似，違背了我們微分整流的初衷，而其中產(chǎn)生這種結果的就是慢衰時間Ts low和Tb Iank時間。
[0006]要解決波形變形問題，加入快衰減時間，根據(jù)H橋驅動的工作原理，我們已經(jīng)知道快衰的速率稍大于充電的速率，快衰時間的增加使得電路快速衰減達到下一個穩(wěn)定臺階，可以解決衰減階段時間太長問題，合理選擇Tfast和Ts1w比例，能使得電流上升下降沿的斜率近似相同，得到近似正弦的電流梯度。但加入快衰時間會在臺階上引起較大的電流波動，衰減時間占比越大，波動越大，馬達運轉不穩(wěn)定噪聲大。
[0007]另外，不同的電流相鄰臺階高度差不同，在小臺階高度差下，電流會出現(xiàn)因為快衰時間大引起電流直接跳到第三個臺階的問題(如圖2所示)，會引起失真問題，怎么優(yōu)化此種情況;大臺階高度差時(如圖3所示)，則出現(xiàn)了衰減時間過長引起正弦近似失真問題。
[0008]即使在同一臺階內(nèi)部，當馬達驅動電壓升高，或者使用小電感的馬達時，充電速率增大了，但衰減速率不變，或者將固定衰減時間減小了，驅動電路都將會出現(xiàn)以下圖4的問題波形，在Ton(min)時間內(nèi)，馬達電流沖上去了，但在固定的發(fā)減時間內(nèi)，由于是發(fā)減速率不夠，電流未能衰減到電流臺階值以下，使得PWM斬波功能不能正常工作。
[0009]因此，本領域的技術人員致力于開發(fā)一種新型的應用于步進電機驅動芯片的PWM斬波恒流控制的自動衰減控制電路，從衰減方式的角度重新設計，以優(yōu)化電機驅動的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是如何實現(xiàn)電機電流的平穩(wěn)低噪運行。
[0011 ]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種PffM斬波恒流控制的自動衰減控制電路，包括邏輯控制電路、比較器、柵級驅動模塊、電流檢測電路、H橋輸出級及感性負載，所述邏輯控制電路包括核心邏輯模塊、自衰減控制模塊和時間信號模塊;所述核心邏輯模塊與所述自衰減控制模塊相連，所述時間信號模塊與所述自衰減控制模塊相連;所述自衰減控制模塊被配置為通過內(nèi)部算法將臺階信號和所述比較器的輸出信號轉化成控制信號，所述控制信號通過所述時間信號模塊輸出到所述柵極驅動模塊。
[0012]進一步地，所述內(nèi)部算法為當所述臺階信號發(fā)生變化時，對PffM周期復位開始計數(shù)為第I個周期，設置第一個PWM周期內(nèi)混合衰減模式為Tfast = ITblank,同時對所述比較器的輸出信號進行監(jiān)測；如果所述比較器未翻轉，則將第2周期內(nèi)的Tfast = 2Tblank，如果所述比較器仍未翻轉，則設置第3個周期內(nèi)Tfast = 25%Toff，同時去掉了Ts1w時間，直接由快衰轉為Tblank時間；如果仍未監(jiān)測到所述比較器翻轉，繼續(xù)控制下一周期內(nèi)Tfast = 25%Toff;如果在任一個PffM周期內(nèi)，監(jiān)測到所述比較器翻轉，下一周期內(nèi)的衰減模式設為慢衰，重新開始計數(shù)。
[0013]如圖5所示，本發(fā)明所述電路基于混合衰減模式，通過設置不同的快慢衰比例自動調(diào)節(jié)不同工作情況下的衰減組合，優(yōu)化小電流臺階的轉換也優(yōu)化了大臺階的轉換，同時減小了臺階內(nèi)的電流紋波。電流在整個充放電周期內(nèi)(一個PWM周期=Ton+Toff，Ton為充電時間大小不固定，Toff為總衰減時間大小固定，Toff = Tfast+Tslow)，當電流臺階發(fā)生變化時，對PWM周期復位開始計數(shù)為第I，設置第一個PWM周期內(nèi)混合衰減模式為Tfast =lTblank，同時對比較器的輸出進行監(jiān)測，如果比較器未翻轉，則將第2周期內(nèi)的Tfast =2Tblank，如果比較器仍未翻轉，則設置第3個周期內(nèi)Tfast = 25%Toff，同時去掉了Tslow時間，直接由快衰轉為Tblank時間；如果仍未監(jiān)測到比較器翻轉，繼續(xù)控制下一周期內(nèi)Tfast= 25%Toff;如果在任一個PWM周期內(nèi)，監(jiān)測到比較器翻轉，下一周期內(nèi)的衰減模式設為慢衰，重新開始計數(shù);具體轉變波形如圖5所示。轉換曲線為自動控制衰減曲線，而虛線為快慢衰固定比例的混合衰減曲線，Tfast:Tslow = 50%Toff。
[0014]分析圖中的波形可以看到，第一個PWM周期，快衰減時間為ITblank?Ius，避免了較長時間的快衰，使得小臺階的電流紋波進一步減小，圖2問題不再出現(xiàn)。如果ITblank快衰減時間過小沒有實現(xiàn)比較器翻轉，則第二個PWM周期內(nèi)，Tfast = 2Tblank，依次增加，避免了出現(xiàn)圖4的波形;對于圖3中的波形，通過圖5的對比可以發(fā)現(xiàn)，加快了大臺階的轉換速度，
[0015]對比圖中實虛曲線，發(fā)現(xiàn)在實線上，50%占空比的固定比例混合衰減起到的效果都不如本發(fā)明的自動衰減控制的效果好，且50%的固定比例混合衰的電流波動明顯比自動衰減控制的波動大。如果使用25%的固定比例混合衰減，衰減時間更長，我們想要的近似正弦波形的電流轉換梯度失真將更大，而要保證能得到正常的臺階梯度，只有降低馬達轉速。而自動衰減模式的實現(xiàn)將大大優(yōu)化以上所列舉的問題。
[0016]如圖6所示，設計了自動衰減控制模塊autodecay，該模塊在STEP和比較器輸出C0MP_0的作用下，通過內(nèi)部邏輯控制，產(chǎn)生四個控制信號s I ow、Tb、2Tb、25 % Tof f;模塊電路Toff&Tfast產(chǎn)生Toff和不同大小的Tfast時間信號，通過auto decay的控制信號選擇輸出不同的Tf as t，經(jīng)內(nèi)部邏輯綜合輸出控制到柵極驅動模塊GATE_D，產(chǎn)生控制H橋的DMOS管四個控制位，電路在閉環(huán)工作的情況下檢測流經(jīng)電阻Rs的電機電流，完成PWM斬波恒流功能。本發(fā)明實現(xiàn)了自動選擇衰減時間的功能，實現(xiàn)圖5中所示實線的波形，穩(wěn)定了馬達的電流紋波，同時也提高了馬達的轉速上限。
[0017]本發(fā)明實現(xiàn)了對步進電機斬波恒流工作模式下電流衰減模式的自動控制，減小了馬達的電流波動，優(yōu)化了電機的平穩(wěn)運行，降低了電機的噪聲，同時提高了電機的轉速，適合應用于高速高精度的馬達驅動電路。
[0018]以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體結構及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的斬波恒流電流臺階和對應的時間定義圖；
[0020]圖2是小臺階電流差異時的波形圖；
[0021 ]圖3是大臺階電流差異的波形圖；
[0022]圖4是臺階內(nèi)的慢衰減波形圖
[0023]圖5是自動衰減控制模式和固定的快慢衰混合衰減電流波形圖；
[0024]圖6是本發(fā)明一個較佳實施例的馬達線圈電流的控制環(huán)路原理圖。
【具體實施方式】
[0025]如圖6所示，首先設計了自動衰減控制模塊autodecay，該模塊在STEP和比較器輸出C0MP_0的作用下，通過內(nèi)部邏輯控制，產(chǎn)生四個控制信號；設計模塊電路Tof f&Tfast，產(chǎn)生Toff和指標要求大小的Tfast時間以及Tblank時間。通過auto decay的內(nèi)部算法，將需要的工作模式轉換為對應的控制信號810￥、113、2113、25%1'(^€，控制信號在電路1'(^€燈€38七中選擇輸出不同的Tf as t，經(jīng)內(nèi)部邏輯綜合輸出控制到柵極驅動模塊GATE_D，GATE_D產(chǎn)生四個控制位控制H橋的DMOS管，電流實現(xiàn)導通關閉。電流Im流經(jīng)DMOS，通過在下管DMOS源極到地之間串接檢流電阻Rs檢測電機電流大小，電壓Vsense = Im*Rs;電路內(nèi)的DAC模塊提供了微分步進細分電壓臺階，電路在閉環(huán)工作的情況下檢測流經(jīng)電阻Rs的電機電流，經(jīng)過比較器與DAC輸出電壓進行比較，通過自動衰減控制完成PffM斬波恒流功能。
[0026]本發(fā)明主要是通過auto decay模塊和Toff&Tfast模塊實現(xiàn)自動選擇衰減時間的功能，當電路上電工作開始，當電流臺階發(fā)生變化時，對PWM周期復位開始計數(shù)為第I，設置第一個PffM周期內(nèi)混合衰減模式為Tfast = ITblank,同時對比較器的輸出進行監(jiān)測，如果比較器未翻轉，則將第2周期內(nèi)的Tfast = 2Tblank，如果比較器仍未翻轉，則設置，第3個周期內(nèi)Tfast = 25%Toff，同時去掉了Tslow時間，直接由快衰轉為Tblank時間；如果仍未監(jiān)測到比較器翻轉，繼續(xù)控制下一周期內(nèi)Tf a s t = 2 5 % To f f;如果在任一個PffM周期內(nèi)，監(jiān)測到比較器翻轉，下一周期內(nèi)的衰減模式設為慢衰，重新開始計數(shù)；
[0027]以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發(fā)明的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種Pmi斬波恒流控制的自動衰減控制電路，包括邏輯控制電路、比較器、柵級驅動模塊、電流檢測電路、H橋輸出級及感性負載，其特征在于，所述邏輯控制電路包括核心邏輯模塊、自衰減控制模塊和時間信號模塊;所述核心邏輯模塊與所述自衰減控制模塊相連，所述時間信號模塊與所述自衰減控制模塊相連;所述自衰減控制模塊被配置為通過內(nèi)部算法將臺階信號和所述比較器的輸出信號轉化成控制信號，所述控制信號通過所述時間信號模塊輸出到所述柵極驅動模塊。2.如權利要求1所述的自動衰減控制電路，其特征在于，所述內(nèi)部算法為當所述臺階信號發(fā)生變化時，對PWM周期復位開始計數(shù)為第I個周期，設置第一個PWM周期內(nèi)混合衰減模式為Tfast = lTblank，同時對所述比較器的輸出信號進行監(jiān)測；如果所述比較器未翻轉，則將第2周期內(nèi)的Tfast = 2Tblank，如果所述比較器仍未翻轉，則設置第3個周期內(nèi)Tfast = 25%Toff，同時去掉了Tslow時間，直接由快衰轉為Tblank時間；如果仍未監(jiān)測到所述比較器翻轉，繼續(xù)控制下一周期內(nèi)Tfast = 25 %Toff ；如果在任一個PffM周期內(nèi)，監(jiān)測到所述比較器翻轉，下一周期內(nèi)的衰減模式設為慢衰，重新開始計數(shù)。
【文檔編號】H02P8/12GK105897088SQ201610410582
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】陳路鵬, 王良坤
【申請人】王良坤