一種pwm斬波恒流控制的自動(dòng)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(dòng)衰減控制電路，包括邏輯控制電路、比較器、柵級(jí)驅(qū)動(dòng)模塊、電流檢測(cè)電路、H橋輸出級(jí)及感性負(fù)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(shí)間信號(hào)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(shí)間信號(hào)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(guò)內(nèi)部算法將臺(tái)階信號(hào)和所述比較器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制信號(hào)，所述控制信號(hào)通過(guò)所述時(shí)間信號(hào)模塊輸出到所述柵極驅(qū)動(dòng)模塊。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)斬波恒流工作模式下電流衰減模式的自動(dòng)控制，減小了馬達(dá)的電流波動(dòng)，優(yōu)化了電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，降低了電機(jī)的噪聲，同時(shí)提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，適合應(yīng)用于高速高精度的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路。
【專利說(shuō)明】
一種PWM斬波恒流控制的自動(dòng)衰減控制電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的PWM斬波恒流控制的自動(dòng)衰減控制電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力作為主要能源的今天，馬達(dá)電機(jī)的應(yīng)用無(wú)處不在，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)由于其能精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，得到了日益廣泛的應(yīng)用。伴隨著用戶對(duì)功能和性能的更高需求，需要進(jìn)一步改善電機(jī)工作的穩(wěn)定性、效率、帶載能力、高轉(zhuǎn)速等性能，各種改善電機(jī)工作狀況的控制方法不斷涌現(xiàn)。
[0003]驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)從起初的直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，發(fā)展為H橋同步整流驅(qū)動(dòng)，再由全步進(jìn)控制升級(jí)為正弦波近似的微分步進(jìn)控制，再提出了PWM斬波恒流技術(shù)穩(wěn)定步進(jìn)臺(tái)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(shí)間的快慢衰混合衰減方式優(yōu)化步進(jìn)臺(tái)階上的電流紋波，不同的衰減組合優(yōu)化了馬達(dá)電流的穩(wěn)定性。
[0004]現(xiàn)有的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，衰減的控制方式一般通過(guò)外接的控制管腳，通過(guò)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(jìn)為例，Ton為電流充電時(shí)間，Toff為固定衰減時(shí)間，Tfast為快衰時(shí)間，Ts1w為慢衰時(shí)間，且有Toff = Tfast+Tslow，Tb lank為屏蔽時(shí)間；
[0005]由圖1中波形，實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)間拉長(zhǎng)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(jié)果的就是慢衰時(shí)間Ts low和Tb Iank時(shí)間。
[0006]要解決波形變形問(wèn)題，加入快衰減時(shí)間，根據(jù)H橋驅(qū)動(dòng)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(shí)間的增加使得電路快速衰減達(dá)到下一個(gè)穩(wěn)定臺(tái)階，可以解決衰減階段時(shí)間太長(zhǎng)問(wèn)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(shí)間會(huì)在臺(tái)階上引起較大的電流波動(dòng)，衰減時(shí)間占比越大，波動(dòng)越大，馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定噪聲大。
[0007]另外，不同的電流相鄰臺(tái)階高度差不同，在小臺(tái)階高度差下，電流會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榭焖r(shí)間大引起電流直接跳到第三個(gè)臺(tái)階的問(wèn)題(如圖2所示)，會(huì)引起失真問(wèn)題，怎么優(yōu)化此種情況;大臺(tái)階高度差時(shí)(如圖3所示)，則出現(xiàn)了衰減時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起正弦近似失真問(wèn)題。
[0008]即使在同一臺(tái)階內(nèi)部，當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓升高，或者使用小電感的馬達(dá)時(shí)，充電速率增大了，但衰減速率不變，或者將固定衰減時(shí)間減小了，驅(qū)動(dòng)電路都將會(huì)出現(xiàn)以下圖4的問(wèn)題波形，在Ton(min)時(shí)間內(nèi)，馬達(dá)電流沖上去了，但在固定的發(fā)減時(shí)間內(nèi)，由于是發(fā)減速率不夠，電流未能衰減到電流臺(tái)階值以下，使得PWM斬波功能不能正常工作。
[0009]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種新型的應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的PWM斬波恒流控制的自動(dòng)衰減控制電路，從衰減方式的角度重新設(shè)計(jì)，以優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流的平穩(wěn)低噪運(yùn)行。
[0011 ]為實(shí)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(dòng)衰減控制電路，包括邏輯控制電路、比較器、柵級(jí)驅(qū)動(dòng)模塊、電流檢測(cè)電路、H橋輸出級(jí)及感性負(fù)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(shí)間信號(hào)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(shí)間信號(hào)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(guò)內(nèi)部算法將臺(tái)階信號(hào)和所述比較器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制信號(hào)，所述控制信號(hào)通過(guò)所述時(shí)間信號(hào)模塊輸出到所述柵極驅(qū)動(dòng)模塊。
[0012]進(jìn)一步地，所述內(nèi)部算法為當(dāng)所述臺(tái)階信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)PffM周期復(fù)位開始計(jì)數(shù)為第I個(gè)周期，設(shè)置第一個(gè)PWM周期內(nèi)混合衰減模式為Tfast = ITblank,同時(shí)對(duì)所述比較器的輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；如果所述比較器未翻轉(zhuǎn)，則將第2周期內(nèi)的Tfast = 2Tblank，如果所述比較器仍未翻轉(zhuǎn)，則設(shè)置第3個(gè)周期內(nèi)Tfast = 25%Toff，同時(shí)去掉了Ts1w時(shí)間，直接由快衰轉(zhuǎn)為Tblank時(shí)間；如果仍未監(jiān)測(cè)到所述比較器翻轉(zhuǎn)，繼續(xù)控制下一周期內(nèi)Tfast = 25%Toff;如果在任一個(gè)PffM周期內(nèi)，監(jiān)測(cè)到所述比較器翻轉(zhuǎn)，下一周期內(nèi)的衰減模式設(shè)為慢衰，重新開始計(jì)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(guò)設(shè)置不同的快慢衰比例自動(dòng)調(diào)節(jié)不同工作情況下的衰減組合，優(yōu)化小電流臺(tái)階的轉(zhuǎn)換也優(yōu)化了大臺(tái)階的轉(zhuǎn)換，同時(shí)減小了臺(tái)階內(nèi)的電流紋波。電流在整個(gè)充放電周期內(nèi)(一個(gè)PWM周期=Ton+Toff，Ton為充電時(shí)間大小不固定，Toff為總衰減時(shí)間大小固定，Toff = Tfast+Tslow)，當(dāng)電流臺(tái)階發(fā)生變化時(shí)，對(duì)PWM周期復(fù)位開始計(jì)數(shù)為第I，設(shè)置第一個(gè)PWM周期內(nèi)混合衰減模式為Tfast =lTblank，同時(shí)對(duì)比較器的輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果比較器未翻轉(zhuǎn)，則將第2周期內(nèi)的Tfast =2Tblank，如果比較器仍未翻轉(zhuǎn)，則設(shè)置第3個(gè)周期內(nèi)Tfast = 25%Toff，同時(shí)去掉了Tslow時(shí)間，直接由快衰轉(zhuǎn)為Tblank時(shí)間；如果仍未監(jiān)測(cè)到比較器翻轉(zhuǎn)，繼續(xù)控制下一周期內(nèi)Tfast= 25%Toff;如果在任一個(gè)PWM周期內(nèi)，監(jiān)測(cè)到比較器翻轉(zhuǎn)，下一周期內(nèi)的衰減模式設(shè)為慢衰，重新開始計(jì)數(shù);具體轉(zhuǎn)變波形如圖5所示。轉(zhuǎn)換曲線為自動(dòng)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(gè)PWM周期，快衰減時(shí)間為ITblank?Ius，避免了較長(zhǎng)時(shí)間的快衰，使得小臺(tái)階的電流紋波進(jìn)一步減小，圖2問(wèn)題不再出現(xiàn)。如果ITblank快衰減時(shí)間過(guò)小沒有實(shí)現(xiàn)比較器翻轉(zhuǎn)，則第二個(gè)PWM周期內(nèi)，Tfast = 2Tblank，依次增加，避免了出現(xiàn)圖4的波形;對(duì)于圖3中的波形，通過(guò)圖5的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，加快了大臺(tái)階的轉(zhuǎn)換速度，
[0015]對(duì)比圖中實(shí)虛曲線，發(fā)現(xiàn)在實(shí)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(dòng)衰減控制的效果好，且50%的固定比例混合衰的電流波動(dòng)明顯比自動(dòng)衰減控制的波動(dòng)大。如果使用25%的固定比例混合衰減，衰減時(shí)間更長(zhǎng)，我們想要的近似正弦波形的電流轉(zhuǎn)換梯度失真將更大，而要保證能得到正常的臺(tái)階梯度，只有降低馬達(dá)轉(zhuǎn)速。而自動(dòng)衰減模式的實(shí)現(xiàn)將大大優(yōu)化以上所列舉的問(wèn)題。
[0016]如圖6所示，設(shè)計(jì)了自動(dòng)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(guò)內(nèi)部邏輯控制，產(chǎn)生四個(gè)控制信號(hào)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(shí)間信號(hào)，通過(guò)auto decay的控制信號(hào)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(qū)動(dòng)模塊GATE_D，產(chǎn)生控制H橋的DMOS管四個(gè)控制位，電路在閉環(huán)工作的情況下檢測(cè)流經(jīng)電阻Rs的電機(jī)電流，完成PWM斬波恒流功能。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)選擇衰減時(shí)間的功能，實(shí)現(xiàn)圖5中所示實(shí)線的波形，穩(wěn)定了馬達(dá)的電流紋波，同時(shí)也提高了馬達(dá)的轉(zhuǎn)速上限。
[0017]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)斬波恒流工作模式下電流衰減模式的自動(dòng)控制，減小了馬達(dá)的電流波動(dòng)，優(yōu)化了電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，降低了電機(jī)的噪聲，同時(shí)提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，適合應(yīng)用于高速高精度的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路。
[0018]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明的斬波恒流電流臺(tái)階和對(duì)應(yīng)的時(shí)間定義圖；
[0020]圖2是小臺(tái)階電流差異時(shí)的波形圖；
[0021 ]圖3是大臺(tái)階電流差異的波形圖；
[0022]圖4是臺(tái)階內(nèi)的慢衰減波形圖
[0023]圖5是自動(dòng)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(gè)較佳實(shí)施例的馬達(dá)線圈電流的控制環(huán)路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]如圖6所示，首先設(shè)計(jì)了自動(dòng)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(guò)內(nèi)部邏輯控制，產(chǎn)生四個(gè)控制信號(hào)；設(shè)計(jì)模塊電路Tof f&Tfast，產(chǎn)生Toff和指標(biāo)要求大小的Tfast時(shí)間以及Tblank時(shí)間。通過(guò)auto decay的內(nèi)部算法，將需要的工作模式轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)810￥、113、2113、25%1'(^€，控制信號(hào)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(qū)動(dòng)模塊GATE_D，GATE_D產(chǎn)生四個(gè)控制位控制H橋的DMOS管，電流實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通關(guān)閉。電流Im流經(jīng)DMOS，通過(guò)在下管DMOS源極到地之間串接檢流電阻Rs檢測(cè)電機(jī)電流大小，電壓Vsense = Im*Rs;電路內(nèi)的DAC模塊提供了微分步進(jìn)細(xì)分電壓臺(tái)階，電路在閉環(huán)工作的情況下檢測(cè)流經(jīng)電阻Rs的電機(jī)電流，經(jīng)過(guò)比較器與DAC輸出電壓進(jìn)行比較，通過(guò)自動(dòng)衰減控制完成PffM斬波恒流功能。
[0026]本發(fā)明主要是通過(guò)auto decay模塊和Toff&Tfast模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇衰減時(shí)間的功能，當(dāng)電路上電工作開始，當(dāng)電流臺(tái)階發(fā)生變化時(shí)，對(duì)PWM周期復(fù)位開始計(jì)數(shù)為第I，設(shè)置第一個(gè)PffM周期內(nèi)混合衰減模式為Tfast = ITblank,同時(shí)對(duì)比較器的輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果比較器未翻轉(zhuǎn)，則將第2周期內(nèi)的Tfast = 2Tblank，如果比較器仍未翻轉(zhuǎn)，則設(shè)置，第3個(gè)周期內(nèi)Tfast = 25%Toff，同時(shí)去掉了Tslow時(shí)間，直接由快衰轉(zhuǎn)為Tblank時(shí)間；如果仍未監(jiān)測(cè)到比較器翻轉(zhuǎn)，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(gè)PffM周期內(nèi)，監(jiān)測(cè)到比較器翻轉(zhuǎn)，下一周期內(nèi)的衰減模式設(shè)為慢衰，重新開始計(jì)數(shù)；
[0027]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Pmi斬波恒流控制的自動(dòng)衰減控制電路，包括邏輯控制電路、比較器、柵級(jí)驅(qū)動(dòng)模塊、電流檢測(cè)電路、H橋輸出級(jí)及感性負(fù)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(shí)間信號(hào)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(shí)間信號(hào)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(guò)內(nèi)部算法將臺(tái)階信號(hào)和所述比較器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制信號(hào)，所述控制信號(hào)通過(guò)所述時(shí)間信號(hào)模塊輸出到所述柵極驅(qū)動(dòng)模塊。2.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)衰減控制電路，其特征在于，所述內(nèi)部算法為當(dāng)所述臺(tái)階信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)PWM周期復(fù)位開始計(jì)數(shù)為第I個(gè)周期，設(shè)置第一個(gè)PWM周期內(nèi)混合衰減模式為Tfast = lTblank，同時(shí)對(duì)所述比較器的輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；如果所述比較器未翻轉(zhuǎn)，則將第2周期內(nèi)的Tfast = 2Tblank，如果所述比較器仍未翻轉(zhuǎn)，則設(shè)置第3個(gè)周期內(nèi)Tfast = 25%Toff，同時(shí)去掉了Tslow時(shí)間，直接由快衰轉(zhuǎn)為Tblank時(shí)間；如果仍未監(jiān)測(cè)到所述比較器翻轉(zhuǎn)，繼續(xù)控制下一周期內(nèi)Tfast = 25 %Toff ；如果在任一個(gè)PffM周期內(nèi)，監(jiān)測(cè)到所述比較器翻轉(zhuǎn)，下一周期內(nèi)的衰減模式設(shè)為慢衰，重新開始計(jì)數(shù)。
【文檔編號(hào)】H02P8/12GK105897088SQ201610410582
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】陳路鵬, 王良坤
【申請(qǐng)人】王良坤