步進電機控制晶片UDN2916LB原理及應用

2020-11-25 電子產品世界

udn2916lb是sanken公司推出的一款兩相步進電機雙極驅動集成電路，能夠驅動雙繞組雙極步進電機，特別適用於目前國內稅控市場雙步進微型印表機電機的控制。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/20736.htm

udn2916lb適用的電機電壓範圍為10～45v，邏輯電壓不能超過7v；通過內部脈寬調製控制器(pwm)可實現最大750ma的輸出電流；內置1/3和2/3分割器；邏輯輸入實現1相/2相/w1-2phase激勵模式；內置過熱和交叉電流保護功能；集成鉗位二極體；內置防止低壓誤操作等保護功能。udn2916lb內部結構如圖所示，晶片有兩組電路構成，每組電路由pwm控制器、電橋及輔助電路組成。

pwm電流控制電路

每個pwm控制器由一組電橋、一個外部檢測電阻(rs)、一個內部比較器和一個多諧振蕩器組成，來獨立檢測和控制輸出電流，如圖2所示。


圖2 pwm電流控制電路

當電橋導通時，電機線圈中電流開始增大，電流通過外部檢測電阻產生的檢測電壓也在增大。當檢測電壓達到比較器輸入端設定電壓值時，線圈中電流itrip=vref/10rs，這時比較器觸發單穩態關閉電橋的源驅動。內部邏輯和轉換開關的延遲(td)典型值為2μs，這種延遲會導致實際負載電流峰值稍高於理論值。當電橋關閉後，電機電流開始衰減，通過地鉗位二極體和接收電晶體回流。源驅動關閉時間toff由單穩態的外部rc決定，toff=rtct，一般rt取值範圍在20～100kω，ct取值範圍在100～1000pf。pwm輸出電流波形見圖3，負載電流路徑見圖4。


圖3 pwm輸出電流波形
圖4 負載電流路徑

晶片5腳和9腳外接電阻rt和電容ct，rt和ct組成的rc電路產生固定頻率信號，作為內部單穩多諧振蕩器的振蕩源，該振蕩器和比較器共同作用將採樣的電流大小反應到源輸出端。當電流值達到理論設定值時，源輸出端變為無效，當電流值小於理論設定值時，源輸出端變為有效。其中rc參數選擇比較重要，設計時往往會忽略其參數要求。如使用不當，會引起晶片燒壞，或發出噪聲等異常現象。

實際電路設計應用中，對rt和ct參數取值容易忽略，rt取值精度應不低於1%，ct應選用npo類型和精度不低於5%的電容，這樣可以有效固定toff時間，達到電流的最佳控制。而採樣電阻取值大小決定了步進電機線圈電流的大小，電阻大了，則線圈電流太小，步進電機驅動無力；電阻小了，則線圈電流太大，會燒壞步進電機線圈。udn2916lb最大輸出電流ioutput=0.75a。

假設採樣電阻rs使用1.0ω高精度電阻，參考電壓取最大為5v時，要求最大輸出電流ioutput=vref/(10×rs)=5/(10×1)=0.5a。電阻功率p=i2r=0.5×0.5×1=0.25w<0.5w。因此，採樣電阻rs功率用0.5w就夠了。

輸出電流的邏輯控制

兩個輸入邏輯信號(l0和i1)用於選擇電機線圈電流，可設定為最大電流的100%、67%、33%或0%。0%的輸出電流值說明電橋關閉了所有驅動，並且也作為一個輸出特性。電流控制真值表見表1。


表1

減少和分散功耗

udn2916lb電路設計時需要充分考慮熱設計，因為驅動ic消耗的大部分能量主要為在突變關閉期間馬達再生電流造成，馬達產生的再生電流流過電流檢測電阻和地鉗制二極體重新流回馬達，產生的電壓跌落引起了能量消耗，地鉗位二極體上的瞬時電壓(vf)出現了最大的跌落，產生了主要的功耗。

設計電路時，如果在驅動ic輸出端外加肖特基二極體，並且只要這些肖特基二極體的vf特性值比內部地鉗位二極體小，馬達產生的再生電流將會有一部分從外部肖特基二極體重新回流到馬達，使流經驅動ic內部的電流減少，降低了驅動ic的功耗，反過來也就提高了熱性能。電路如圖5所示。

電路及地的布線圖示例

由於udn2916lb是一種斬波式電源驅動ic，設計時需要特別注意周圍地的布線。可獨立作為模擬地和數字地單點連接，也可用低阻抗的大面積敷銅板做為地，如圖6所示。


圖6 電路及地的布線圖示例

應用電路

圖7是udn2916lb的應用電路。


圖7 udn2916lb應用電路

圖7電路中所使用的器件參數如下。

ic：udn2916lb
c1：100μf/35v
c2：0.1μf
c3：470pf，npo
c4：470pf，npo
c5：4700pf
c6：4700pf
r1：56kω(1%)
r2：56kω(1%)
r3：12kω
r4：1kω
r5：1kω
r6：1.43ω(1%)，1w
r7：1.43ω(1%)，1w
d1：11eqs06(肖特基二極體，2a)
d2：11eqs06(肖特基二極體，2a)
d3：11eqs06(肖特基二極體，2a)
d4：11eqs06(肖特基二極體，2a)

流經馬達的工作電流理論設定值=5/(10×1.43)=350ma。正常控制輸出電流波形見圖8。圖中的方波1是電機的相位波形，波形2是流經馬達的工作電流。流經馬達的工作電流實測值=71×5ma=355ma。實測值和理論設定值基本吻合，滿足設計要求。


圖8 正常控制輸出電流波形
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