步進(jìn)電機(jī)控制芯片UDN2916LB原理及應(yīng)用

       摘要：UDN2916LB是SANKEN公司推出的一款2相步進(jìn)電機(jī)雙極驅(qū)動(dòng)集成電路（IC），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，本文介紹了UDN2916LB性能特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)考慮，同時(shí)給出了由UDN2916LB組成的雙步進(jìn)微型打印機(jī)電機(jī)應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：UDN2916LB，雙步進(jìn)微型打印機(jī)

       引言：隨著國(guó)家“金稅”工程進(jìn)一步推進(jìn)， 2005年近百家企業(yè)取得稅控收款機(jī)生產(chǎn)許可證，容量達(dá)3000萬臺(tái)的稅控市場(chǎng)即將井噴。據(jù)估計(jì)大約三分之一稅控收款機(jī)市場(chǎng)將安裝雙步進(jìn)微型打印機(jī)來打印發(fā)票。控制該類型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片UDN2916LB市場(chǎng)應(yīng)用將極為廣泛。

       原理介紹：UDN2916LB是一款能夠驅(qū)動(dòng)雙繞組雙極步進(jìn)電機(jī)的IC。適用的電機(jī)電源電壓范圍為10V-45V，邏輯電源電壓不能超過7V；通過內(nèi)部脈寬調(diào)制控制器（PWM）實(shí)現(xiàn)750mA的輸出電流；同時(shí)還具有例如：內(nèi)置1/3和2/3分割器，通過邏輯輸入實(shí)現(xiàn)1-phase/2-phase/W1-2phase激勵(lì)模式，內(nèi)置過熱和交叉電流保護(hù)功能，集成鉗制二極管，內(nèi)置防止低壓誤操作保護(hù)功能。UDN2916LB內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：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。見圖1

1,PWM電流控制電路：

每個(gè)PWM控制器由一組電橋、及其外部一個(gè)感應(yīng)電阻（Rs）、一個(gè)內(nèi)部比較器和一個(gè)單穩(wěn)多諧振蕩器組成，來獨(dú)立感應(yīng)和控制輸出電流。見圖2

 當(dāng)電橋?qū)〞r(shí)，電機(jī)線圈中電流開始增大，電流通過外部感應(yīng)電阻產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也在增大，當(dāng)感應(yīng)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/10 RS ，比較器此時(shí)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)關(guān)閉電橋的源驅(qū)動(dòng)。由于內(nèi)部邏輯和轉(zhuǎn)換開關(guān)的延遲會(huì)導(dǎo)致實(shí)際負(fù)載電流峰值稍高于理論值，這種延遲（td）典型值為2µs。當(dāng)電橋關(guān)閉后，電機(jī)電流開始衰減，通過地鉗位二極管和接收晶體管回流。源驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)間由單穩(wěn)態(tài)的外部RC決定toff = RTCT，一般RT取值范圍在20K～100K，CT取值范圍在100pF～1000Pf。PWM輸出電流波形見圖3，負(fù)載電流路徑見圖4

 

  被設(shè)定的源驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)間toff應(yīng)該小于46 µs（既：此時(shí)電流斬波頻率處于聽覺范圍臨界點(diǎn)），同時(shí)盡可能長(zhǎng)，以便正確調(diào)節(jié)輸出電流。因?yàn)橹粶p緩延遲（如關(guān)閉時(shí)間小于10 µs）來控制電流，就需要額外的努力來確保電流正確調(diào)節(jié)。在使用短關(guān)閉時(shí)間時(shí)，不利于正確有效調(diào)節(jié)電流的幾個(gè)因素有以下幾個(gè)：較高的電機(jī)工作電壓、較低的負(fù)載、較長(zhǎng)的脈沖消失時(shí)間。當(dāng)源驅(qū)動(dòng)重新有效時(shí)，線圈電流（感應(yīng)電壓）又被允許上升到比較器的設(shè)定值。這種自循環(huán)可有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)在可控電流值情況下正常工作。
 

       帶有高分布電容的負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致較高的打開電流峰值，這種電流峰值（通過RS時(shí)出現(xiàn)）將達(dá)到比較器的臨界點(diǎn)，導(dǎo)致錯(cuò)誤的電流控制或高頻震蕩。一個(gè)外部RCCC時(shí)間延遲被用于進(jìn)一步延遲比較器的動(dòng)作。根據(jù)負(fù)載類型，許多應(yīng)用并不需要這些外部器件（SENSE引腳直接連到E引腳）。    

2，輸出電流的邏輯控制

       兩個(gè)輸入邏輯信號(hào)（l0 和 I1）用于數(shù)字選擇電機(jī)線圈電流在其最大水平的百分比，100%, 67%, 33%, or 0%。0%的輸出電流值說明電橋關(guān)閉了所有驅(qū)動(dòng)并且也作為一個(gè)輸出特性。電流控制真值表如下：見表1

3，減少和分散功耗

提高熱性能的方法是在4個(gè)輸出端和地之間分別增加肖特基二極管，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)生的再生電流流過電流檢測(cè)電阻和地鉗制二極管重新流回馬達(dá)，通過這種路徑產(chǎn)生的電壓跌落引起了能量消耗，在這個(gè)路徑上地鉗制二極管上的瞬時(shí)電壓（VF）出現(xiàn)了最大的跌落。意味著外加的肖特基勢(shì)二極管將會(huì)提高驅(qū)動(dòng)IC的熱性能，只要這些肖特基勢(shì)二極管的VF特性值比內(nèi)部地鉗制二極管小。外部二極管也能對(duì)驅(qū)動(dòng)IC分散一部分消耗（熱源）和減小能量耗散（PD），也可以得到較大輸出電流。見圖5

4，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)需要特別注意周圍地的布線?？瑟?dú)立作為模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)連接或也可用低阻抗的大面積銅皮作為地。見圖6

應(yīng)用電路：圖7給出的應(yīng)用電路已在實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用，控制雙步進(jìn)微型打印機(jī)需要兩個(gè)UDN2916LB。

結(jié)束語：UDN2916LB具有接口簡(jiǎn)單、使用方便、便于精密輸出控制等特點(diǎn)，同時(shí)又具備防止過溫、防止誤操作等特點(diǎn)，能夠滿足對(duì)雙步進(jìn)微型打印機(jī)的可靠控制。