步進(jìn)電機(jī)控制芯片UDN2916LB原理及應(yīng)用

udn2916lb是sanken公司推出的一款兩相步進(jìn)電機(jī)雙極驅(qū)動(dòng)集成電路，能夠驅(qū)動(dòng)雙繞組雙極步進(jìn)電機(jī)，特別適用于目前國(guó)內(nèi)稅控市場(chǎng)雙步進(jìn)微型打印機(jī)電機(jī)的控制。

udn2916lb適用的電機(jī)電壓范圍為10～45v，邏輯電壓不能超過(guò)7v；通過(guò)內(nèi)部脈寬調(diào)制控制器(pwm)可實(shí)現(xiàn)最大750ma的輸出電流；內(nèi)置1/3和2/3分割器；邏輯輸入實(shí)現(xiàn)1相/2相/w1-2phase激勵(lì)模式；內(nèi)置過(guò)熱和交叉電流保護(hù)功能；集成鉗位二極管；內(nèi)置防止低壓誤操作等保護(hù)功能。udn2916lb內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，芯片有兩組電路構(gòu)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(gè)pwm控制器由一組電橋、一個(gè)外部檢測(cè)電阻(rs)、一個(gè)內(nèi)部比較器和一個(gè)多諧振蕩器組成，來(lái)獨(dú)立檢測(cè)和控制輸出電流，如圖2所示。

當(dāng)電橋?qū)〞r(shí)，電機(jī)線圈中電流開(kāi)始增大，電流通過(guò)外部檢測(cè)電阻產(chǎn)生的檢測(cè)電壓也在增大。當(dāng)檢測(cè)電壓達(dá)到比較器輸入端設(shè)定電壓值時(shí)，線圈中電流itrip=vref/10rs，這時(shí)比較器觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)關(guān)閉電橋的源驅(qū)動(dòng)。內(nèi)部邏輯和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的延遲(td)典型值為2μs，這種延遲會(huì)導(dǎo)致實(shí)際負(fù)載電流峰值稍高于理論值。當(dāng)電橋關(guān)閉后，電機(jī)電流開(kāi)始衰減，通過(guò)地鉗位二極管和接收晶體管回流。源驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)間toff由單穩(wěn)態(tài)的外部rc決定，toff=rtct，一般rt取值范圍在20～100kω，ct取值范圍在100～1000pf。pwm輸出電流波形見(jiàn)圖3，負(fù)載電流路徑見(jiàn)圖4。

芯片5腳和9腳外接電阻rt和電容ct，rt和ct組成的rc電路產(chǎn)生固定頻率信號(hào)，作為內(nèi)部單穩(wěn)多諧振蕩器的振蕩源，該振蕩器和比較器共同作用將采樣的電流大小反應(yīng)到源輸出端。當(dāng)電流值達(dá)到理論設(shè)定值時(shí)，源輸出端變?yōu)闊o(wú)效，當(dāng)電流值小于理論設(shè)定值時(shí)，源輸出端變?yōu)橛行АＦ渲衦c參數(shù)選擇比較重要，設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)忽略其參數(shù)要求。如使用不當(dāng)，會(huì)引起芯片燒壞，或發(fā)出噪聲等異?，F(xiàn)象。

實(shí)際電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中，對(duì)rt和ct參數(shù)取值容易忽略，rt取值精度應(yīng)不低于1%，ct應(yīng)選用npo類型和精度不低于5%的電容，這樣可以有效固定toff時(shí)間，達(dá)到電流的最佳控制。而采樣電阻取值大小決定了步進(jìn)電機(jī)線圈電流的大小，電阻大了，則線圈電流太小，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)力；電阻小了，則線圈電流太大，會(huì)燒壞步進(jìn)電機(jī)線圈。udn2916lb最大輸出電流ioutput=0.75a。

假設(shè)采樣電阻rs使用1.0ω高精度電阻，參考電壓取最大為5v時(shí)，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，采樣電阻rs功率用0.5w就夠了。

輸出電流的邏輯控制

兩個(gè)輸入邏輯信號(hào)(l0和i1)用于選擇電機(jī)線圈電流，可設(shè)定為最大電流的100%、67%、33%或0%。0%的輸出電流值說(shuō)明電橋關(guān)閉了所有驅(qū)動(dòng)，并且也作為一個(gè)輸出特性。電流控制真值表見(jiàn)表1。

減少和分散功耗

udn2916lb電路設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮熱設(shè)計(jì)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)ic消耗的大部分能量主要為在突變關(guān)閉期間馬達(dá)再生電流造成，馬達(dá)產(chǎn)生的再生電流流過(guò)電流檢測(cè)電阻和地鉗制二極管重新流回馬達(dá)，產(chǎn)生的電壓跌落引起了能量消耗，地鉗位二極管上的瞬時(shí)電壓(vf)出現(xiàn)了最大的跌落，產(chǎn)生了主要的功耗。

設(shè)計(jì)電路時(shí)，如果在驅(qū)動(dòng)ic輸出端外加肖特基二極管，并且只要這些肖特基二極管的vf特性值比內(nèi)部地鉗位二極管小，馬達(dá)產(chǎn)生的再生電流將會(huì)有一部分從外部肖特基二極管重新回流到馬達(dá)，使流經(jīng)驅(qū)動(dòng)ic內(nèi)部的電流減少，降低了驅(qū)動(dòng)ic的功耗，反過(guò)來(lái)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

由于udn2916lb是一種斬波式電源驅(qū)動(dòng)ic，設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意周?chē)氐牟季€?？瑟?dú)立作為模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)連接，也可用低阻抗的大面積敷銅板做為地，如圖6所示。

應(yīng)用電路

圖7是udn2916lb的應(yīng)用電路。

圖7電路中所使用的器件參數(shù)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(肖特基二極管，2a)
d2：11eqs06(肖特基二極管，2a)
d3：11eqs06(肖特基二極管，2a)
d4：11eqs06(肖特基二極管，2a)

流經(jīng)馬達(dá)的工作電流理論設(shè)定值=5/(10×1.43)=350ma。正常控制輸出電流波形見(jiàn)圖8。圖中的方波1是電機(jī)的相位波形，波形2是流經(jīng)馬達(dá)的工作電流。流經(jīng)馬達(dá)的工作電流實(shí)測(cè)值=71×5ma=355ma。實(shí)測(cè)值和理論設(shè)定值基本吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。