【干货】深入理解步进电机驱动的续流衰减模式

步进电机是一种控制简单、使用方便的位置开环电机，广泛应用于办公自动化、安防监控、3D打印和汽车电机等领域。电机驱动芯片是包含了速度控制、力矩控制、位置控制及各种保护等功能的集成电路，根据输入信号，按照内置的算法逻辑控制电机的运转。步进电机驱动芯片决定着电机运转效果，也就是步进电机运行的平稳性、振动和噪音。对这些性能影响非常大但又难以理解的就是续流Current Recirculation的控制。

本文从基础电机等效模式介绍开始，深入阐述续流各衰减模式Decay Mode的理解、各自优缺点和适用性、与刹车Brake的差异等，以此进行更为复杂灵活的续流控制，就更能够适应不同参数的电机，从而达到电机平稳性与振动和噪音的最优效果。最后以Chipown高性能步进电机驱动芯片PN7781系列为例，说明续流衰减模式的灵活控制。

 电机等效电路 

图1 电机(一相)等效电路

如图1所示，步进电机（以常见的双极性）包含两个线圈，以电机单线圈为例说明等效电路，其可以等效于三部分组成：线圈内阻RM、线圈电感L和电机反电动势BEMF。

其中BEMF电压等于反电动势常数Kt乘以转速(Hz)，即和电机转速成正比。图中也考虑到驱动芯片的高低边内阻RDSON，所以驱动Drive阶段的基本等效电路如图1所示，等效公式：

一般来说由于内阻较小，I*R电压一般较小，当电机处于启动阶段转速很小，反电动势很小，则大部分电压会加载到L*di/dt，电流急速上升。而当电机处于最高转速时，反电动势最大，电感电压则最小，电流变化相对较小。

 什么是电机电流的续流衰减? 

图2 续流、异步和同步续流

如图2所示，以单个线圈驱动的全桥电路为例，首先AH、BL的MOS打开，电流从VM由左往右到地，这是电机驱动Drive阶段，当电流达到设定电流值时，关闭所有MOS，此时线圈电感效应，电流会继续从左到右流动并衰减Decay。

电流衰减的两种途径

1► 异步衰减

通过MOS的体二极管衰减，如图二中示意，由地到VM，这是异步衰减。

2► 同步衰减

通过打开斜对角的BH、AL的MOS，电流还是由地到VM，这称为同步衰减。

这种异步衰减和同步衰减的途径就是电流续流(Current Recirculation)。

显而易见，异步衰减经过MOS体二极管，压降大所以损耗(2*I*VD)也大，而同步衰减经过MOS的Rdson，一般内阻较小所以损耗(I^2*Rdson*2)也小。后文主要以同步衰减来说明。

为方便下文，先介绍下电机驱动和电流衰减的几个关键参数 – ITRIP、tDRIVE、tBLANK、tOFF。

图3 关键参数说明

如图3所示，黄虚线ITRIP就是本时段内驱动芯片设定的电流值，ITRIP按照步进电机细分控制所需的电流台阶而变化，图3就是一段电流台阶往上增长的例子。

tDRIVE是驱动阶段的时间，这里需要注意起始有个tBLANK消隐时间（一般几个us以内)，主要是为了避开（不检测）MOS管打开时刻的电流噪音毛刺，防止误触发过流保护。

可以理解的是tBLANK太小起不了作用，太大则可能导致后续的tDRIVE不足，特别是在一个电流正弦周期内所需tBLANK不同，若简单一个固定值，则电流波形过零点失真明显。

tOFF则是整个电流续流时段。tOFF时间到期后，H桥重新启用，开始另一个PWM循环。

电流续流的衰减模式

电流续流的三种控制模式

1► 慢衰减 Slow Decay

2► 快衰减 Fast Decay

3► 混合衰减 Mixed Decay

注：这里的所谓“快”“慢”是指续流期间电流衰减到零的相对速度。

1、慢衰减 Slow Decay

图4 慢衰减 Slow Decay

首先正常驱动Drive阶段，如图4红色电流方向（AH、BL打开)，然后关掉AH、BL，并打开下桥臂的AL、BL两个驱动管，电流继续从左往右经过线圈顺时针闭环衰减，如图4蓝色电流。

对应的电机相电流波形是先驱动Drive阶段上升，如图4右示，当相电流上升到预设的ITRIP阈值或以上时，就进入续流阶段。

若经过tBLANK时间后相电流已经到达（或超过）ITRIP阈值时，就没有后续的Drive阶段而直接进入续流阶段，如图4波形图的第二个PWM周期。所以tBLANK决定了PWM驱动信号最小的ON时间。

综上，慢衰减模式主要是通过下桥臂的两个驱动管来续流。

图5 慢衰减等效电路

在该阶段，也就是PWM周期的OFF时间段内，电机转速变化不大，即反电动势变化不大。从图5等效电路来看，相当于VM接地，此时电感电压：

但极性反向，VL值不会超过VM（驱动Drive阶段VM=I*R+VBEMF+VL，即I*R+VBEMF=VM-VL>0)，所以IDECAY下降斜率相对缓慢。

2、 快衰减 Fast Decay

图6 快衰减 Fast Decay

先正常驱动Drive阶段，如图6红色电流方向（AH、BL打开)，然后关掉AH、BL，并打开斜对称的BH、AL两个驱动管，电流继续从左往右经过线圈、从地端到电源VM端快衰减，如图中蓝色电流方向。

对应的相电流波形如图6右所示，是先驱动Drive阶段，然后快衰减直到零，并保持（如把全桥驱动管都关掉)，不会出现反向电流。图中只是举例示意，并不是指快衰减都能在续流时间内到零。

综上，快衰减模式主要是通过斜对角的两个驱动管来续流。

图7 快衰减等效电路

对于快衰减续流阶段等效电路，如图7所示。需要注意，此时VM反向加载于电机，快衰减阶段的电感电压：

相比于慢衰减阶段的电感电压(I*R+VBEMF)大很多，所以IDECAY下降速度最快，也就是称之为“快” 衰减。可以理解的是快衰减较适合大电感电机，而慢衰减较适合小电感电机。

3、混合衰减 Mixed Decay

图8 混合衰减 Mixed Decay

先正常驱动Drive阶段，如图8红色电流方向（AH、BL打开)，然后关掉AH、BL，并打开斜对称的BH、AL两个驱动管快衰减，经过一段时间TDECAY后，关掉BH并打开BL（此时AL保持打开)，电流继续从左往右经过线圈顺时针的慢衰减。对应的相电流波形是先驱动Drive阶段，然后先快衰减，持续TDECAY时间，接着切换到慢衰减。

混合衰减模式下相电流的纹波介于快衰减和慢衰减之间。TDECAY时间可根据电机及应用场景来设置调整。

综上，统筹考虑tBLANK、tDRIVE、tOFF、TDECAY及PWM周期等时间的控制，来确保电机相电流有效地、及时地控制到当前设定的ITRIP阈值，以达到精确的快速响应的电流环控制。

相对来说，慢衰减较为适合相电流上升期，快衰减较为适合相电流下降期，而混合衰减介于两者之间。

表1 续流各模式对比

表1是三种衰减模式的优缺点对比。对于相对复杂的控制，可以在相电流上升和下降期，采用不同衰减模式；而对于更复杂的控制，可以进一步控制PWM周期、tBLANK、tDRIVE、tOFF等时间来达到最优化效果。

 慢衰减就是电机刹车Brake吗？

经常有工程师混淆了慢衰减和刹车两个概念，这里详细解释下区别。续流是PWM的tOFF时间段，时间非常短，比如芯片PN7781采用固定20us，而电机刹车的时间相对会长很多，从毫秒到秒。两者时间级上完全不一样。

在续流阶段时间内，电机转速变化非常小，基本可以忽略反电动势VBEMF的变化。当电机从正常驱动Drive阶段到把全桥驱动管全部关掉OFF，如图9所示，此时若考虑MOS体二极管则继续异步衰减，续流结束后电机就是完全开路状态，反电动势能量无处释放，只有电机本身的摩擦阻力让电机缓慢停下来。

图9 惯性运转 Coasting

而对于刹车，如图10所示，电机从正常运行状态切换到只打开下桥臂驱动管并保持住，在刹车前（驱动阶段结束）时刻：

此时转速最大则VBEMF最大，电感电压忽略，电机相电流近似于：

切换后，也就是和慢衰减一样的电路，电机相电流先慢续流直到零。然后电机自身的反电动势通过低边驱动管形成回路，相当于发电机，电流反向，如图10中间的红色刹车电流。

图10  刹车 Braking

对于刹车过程的等效电路分析，如图10右所示：

电流IBRAKE从0开始迅速增大到最大，VL迅速从此刻（VL=VBEMF）降低到0，但是在这个短时间段内，电机转速变化很小，所以反电动势略微降低，VBEMF仍然较大。此时刻（VL降到0时）刹车电流最大：

相比较于刹车前时刻的相电流：

IBRAKE可能是几倍于IDRIVE，这就是我们常见的刹车电流尖峰非常大，极性相反。特别是在高转速下的急刹车可能会触发驱动芯片过流OCP保护。

以上就是电机续流控制的详细说明及各衰减模式的差异理解。在市面上能真正发挥续流衰减模式性能的驱动芯片较少，而芯朋微最新推出的高性能步进电机驱动产品系列PN7781就诠释了如何灵活优化续流的控制。

高性能步进电机驱动--PN7781

PN7781是一款集成电流检测（无需外部功率电阻采样，节省面积和成本)、带1/16细分（细分可选）的高性能步进电机驱动芯片，适用电机电压高达37V，电流支持1.5A峰值，内部带细分控制逻辑，只需要简单STEP/DIR控制接口，并集成全面复杂的保护功能。

PN7781TG-A1

芯片特征

● 步进电机集成驱动

宽电压范围：8V～37V

每个H桥电流：1A持续电流（1.5A峰值)

低导通电阻：0.86Ω（高边+低边）

● STEP/DIR输入接口，控制简单

● 六种步进模式，最高支持1/16细分

● 慢速衰减和混合衰减模式运行中可调整（四种选择）

● 集成电流检测功能：无需检测电阻

● 低睡眠电流：IVCC_SLEEP <20uA

● 异常保护功能：电源欠压保护(UVLO)，电荷泵欠压(CPUV)过温保护(OTP)，过流保护(OCP)，故障指示引脚(nFAULT)

PN7781非常适用于办公设备（如打印机、扫描仪)、3D打印、安防监控IPC和医疗设备等步进电机。

图11 PN7781典型应用

其中PN7781一大特色功能是续流多种衰减模式及灵活设置（运行中可实时调整)，可以适配及优化驱动不同参数的步进电机，以达到最佳的运行性能。

表2 PN7781 Decay管脚设置电压

如表2，PN7781通过四态电平DECAY管脚设置电压范围，来选择续流衰减模式。

其中慢衰/混合衰减模式是在电流上升阶段使用慢衰减，在电流下降阶段使用混合衰减。用户可根据实际使用的电机参数，以及实际测试的平稳性及震动、噪音等水平，来设置匹配最优的衰减模式。

同时，如上文谈到的tBLANK消隐时间，PN7781采用先进的自适应消隐时间。

图12 PN7781消隐时间

如图12所示，基于正弦指数和TRQ设置自动匹配tBLANK时间，通过在小电流台阶上减少消隐时间，有效改善电流波形过零点附近的失真。

综上，PN7781采用自适应的消隐时间配合续流多种衰减模式的灵活控制，可以适配各参数的步进电机，很好地平衡步进电机平滑稳定性、噪音和震动，明显提升终端产品的运动（机械传动）性能。

表3 Chipown步进电机驱动产品系列

此外，芯朋步进电机系列产品丰富，从低压到中高压，从性价比的简单控制到高性能步进电机驱动齐全，如表3所示。

产品基本覆盖各类型应用所需步进电机，用户可以按需要选择合适方案（其中集成细分是指芯片内部集成细分控制的逻辑，只需要脉冲输入STEP脚控制即可。而对普通步进电机驱动产品，也可以通过PWM输入的软件方法实现细分控制）。

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