硬核 | 带你深入了解MP6500/MP6600自适应电流控制方案（上篇）

这是篇关于步进电机电流控制方案的“硬核”文章，多个硬核知识点会带你深入了解MPS自适应电流控制方案。文章前的你，别走开，为了提高步进电机的运行质量，再硬核，也得啃下去！

双极步进电机广泛用于许多应用中，从打印机到工业设备中的移动XY工作台。通常情况下，电机驱动都采用较廉价的专用步进电机驱动芯片控制，简单的电流控制方法使电机的电流波形不理想、电机运行精度不高。

现在，通过在步进电机驱动IC内部集成双向电流采样，能有效提高电机运行控制精度，同时比传统解决方案降低了系统成本。

PWM控制和电流衰减模式（Decay Mode）

大多数的步进电机驱动IC，依靠步进电机绕组的电感特性实现PWM电流调节。通过每个绕组对应的功率MOSFET组成的H桥电路，随着PWM控制开始，电源电压被加到电机绕组上，从而产生驱动电流。一旦电流达到设定值，H桥就会切换控制状态，使得输出电流衰减。 一定固定时间后，一个新的PWM周期又会开始，H桥再次产生线圈电流。 

重复这一过程，使绕组电流上升和下降。通过电流采样和状态控制，可以调节控制每一段细分的峰值电流值。 

在预期的峰值电流达到后，H桥驱动绕组的电流衰减控制方式有两种：

• 绕组短路（同时开通低侧或高侧的MOSFET），电流衰减慢。

• H桥反向导通，或允许电流通过MOSFET的体二极管流通，电流衰减快。 

这两种电流衰减方式称为慢衰减和快衰减（见图1）。

图1：H桥工作状态

传统峰值电流控制的问题

传统的步进电机峰值电流控制，通常只检测通过线圈的峰值电流。 当预期的峰值电流达到后，H桥就会切换导通状态，使得输出电流衰减（快衰减，慢衰减，或两者的组合）。

• 选择慢衰减，可以得到更小的电流纹波，平均电流能更准确的跟踪峰值电流。 然而，随着步率增大，慢衰减不能够及时降低绕组电流，无法保证精确的电流调节。
  

• 为了此情况，许多步进电机驱动芯片，在电流幅值增加的时候采用慢衰减模式，在电流幅值减小时使用快衰减或混合衰减（结合快衰减和慢衰减）模式。 然而，因为快衰减模式时的电流纹波相对大很多，导致两种模式下的平均电流值相差很大，导致电机运行不平稳（见图2）。电流过零时，因为两种衰减模式的切换，也会有同样的问题。

图2：传统峰值电流控制下的波形

内部电流检测实现双向电流采样

传统的步进驱动，在每个H桥下管源极和地之间接外部检测电阻，只测量PWM导通时检测电阻上的正向电压。在慢衰减模式下，电流循环通过内部MOSFET，不通过检测电阻，因此无法测量电流。在快衰减模式下，通过电阻的电流翻转，产生的是负电压。对于目前的电源IC工艺，负电压很难被简单的采样处理。

内部电流检测允许在任何时候监测电流，如PWM导通时间，以及快衰减和慢衰减过程中。虽然它增加了驱动IC的复杂性，但内部电流检测大大降低了系统成本，因为外部的采样电阻不需要了，这些电阻非常大且昂贵，价格通常和驱动IC差不多！

MP6500/MP6600步进驱动IC自适应电流控制方案

通常情况下， MP6500工作在慢衰减模式下。然而，当一个固定关断时间结束，慢衰减结束后，如果当前绕组电流仍高于预期水平，快衰减模式会被开启以用来迅速减小驱动电流到所需值。 这种混合控制模式，使得驱动电流快速下降到零，同时又保证平均电流尽量接近设定值。

当step跳变时，快衰减就被采用使得当前电流迅速被调整到零，如图3所示。如果电源电压高，电感值低，或所需的峰值电流幅值很低，电流很有可能高于设定值。由于blanking time，每个PWM周期都会有一个最小导通时间，此时许多传统的步进电机驱动器无法控制绕组电流。如果发生这种情况，MP6500会不断采用快衰退模式来保证绕组电流一直不超过设定值（见图4）。

图3：MP6500的自动衰减模式（step跳变时）

图4：MP6500的自动衰减模式（低电流情况下）

这种自适应衰减模式与只使用慢衰减模式相比，平均电流的变化比较小。由于快速衰减模式只用来控制驱动电流低于设定值，误差比在整个PWM关断时间采用快衰减模式要小的多。

这种控制方法的优点是，对于不同的电机和电源电压，用户不需要做任何系统调整，衰减模式是完全自动调整的。 而传统的步进电机驱动，对于不同应用，必须调整衰减模式甚至PWM关断时间，以得到最好的运行质量。

使用了这种电流调节方法，MP6500可以确保整个周期的平均绕组电流都准确稳定（见图5），明显改善了电机的运行质量。

图5：MP6500输出电流波形