运动控制专用集成电路及应用（续6）
谭建成（广州电器科学研究所)
【摘要】本文为“运动控制专用集成电路及应用（续5）”的续篇，介绍一种IXMsiso高性能微步距控制器的工作原理、特点及在步进电动机微步距控制中的应用。
【叙 词】集成电路步进电动机／微步距控制器原理应用增益线性度百分之1. 6。
6 IXMsiso高性能双PWM微步距控制器
IXMS150是一种高性能CMOS单片集成电路，它有两路PWM输出，可驱动两个独立的H桥，并进行精确的电流闭环控制，所以，它最适用于两相步进电动机的微步距控制。由于它有高的精度，步进电机细分可做到超过250个微步，对于200步／r的常见的两相混合式步进电机，细分可做到50000步／r。它不但大大改善了步进电机系统的运动分辩率，而且明显减少了低速速度纹波和谐振。它也可以用来控制两台直流电动机，用于机器人、打印机、绘图机、X-Y平台等两坐标的位置控制系统。利用IXMS150可减少元件成本、印刷电路板面积和设计时间，从而降低整个系统的成本，同时也提高了系统的可靠性。
6.1特点
·双通道同步PWM输出。
·宽频率范围20～400kHz。
·输入电流揩令范围±2.0V，满刻度。
·反馈电流信号范围士0. 625V，满刻度。
·两通道增益偏差百分之一（可用外电路调整平衡）。
·前馈补偿电动机电源变化
·每个H桥只要一个电流传感电阻。
·两级电流限制。
·欠电压锁定。
·对交流耦合栅极驱动的占空比限制。
·宽范围的死区时间设定。
·有负电压电源发生。
·单极性电源供电。
IXMS150是24脚DIP封装。引脚说明见附表。表中有括号的表示B相通道的引脚，相应无括号的，则为A相通道的引脚。
6.3基本组成与工作原理
本集成电路的内部方框图见图1。它由5个主要部分组成。
·振荡器与前馈电路
·控制电动机电流的模拟电路
·对H桥或电机非正常工作的保护电路
·PWM电路
·负偏压电路
6.3.1振荡器
内部振荡器可由Ro和Co调整，它们决定了振荡器的开关频率、死区大小及9、10、15、16脚输出信号的最小脉冲宽度。R的使用范围是15～lOOkΩ，Co的范围是100～2000pF。
振荡器频率：
6.3.2前馈补偿
对于固定频率的PWM控制系统，其开环增益、电机电流变化速度、电流纹波都和供电电源电压成正比。但增益随电源电压而变化，使这种系统难以设计，考虑最坏情况又限制了带宽。因此，在本电路内采用了前馈技术进行补偿，使开环增益与FFWD脚电压成反比，通常此电压仅是电机电源电压的几分之一。这样，开环增益和电机电压无关，系统带宽可以增大。
在本IC中，振荡器电压波形的幅值，整个系统酌增益都被FFWD上的电压调制。此电压通常取3. 5V。引入前馈控制时，从电机供电电压VHV的电阻分压得到FFWD上的电压VFF。同时接有CF-FWD滤波电容，滤去VHV上的杂波。电容的选择是，它与Rffi∥Rff2决定的滤波器时间常数（见图2），应能滤去主电路开关频率的噪声，又不会改变120Hz纹波。后者是60Hz市电供电时VHV可能有的纹波分量。
6.3.3电流控制的模拟电路
IXMS150有两个相同的通道。每一通道的模拟电路部分包括信号处理和误差放大器(E/A)。因为从电流传感电阻器上取得信号电压总是包含有功率级开关的瞬变成分，需要对此信号处理、滤波，使系统能工作到期望的精度。因此，IXMS150内使用了专利的模拟和数字信号处理技术，获得真正的相电流平均值。每个H桥仅需一个传感电阻。电机电流和控制指令之差在E/A积分并送给PWM比较器，为H桥产生合适的控制信号。指令信号和反馈信号的补偿在compl、comp2和comp3实现。
6.3.4保护电路
本集成电路的保护功能包括对过电流关机、****最小占空比报警、欠电压锁定、死区时间插入以及过热和其它外电路故障控制关机。
本IC有两档过电流保护。对应于****允许电流，在SENSE上的电压以0.625v为代表。此电压若超过0.9V，经1ms时间后，VOUT和OUTDIS将被强制为低电平。它代表电机电流已超过百分之四十。如果SENSE上的电压增大至3. 6V，VOUT马上变为低。它表示电流已增大了5倍。对于第一介限流门坎需要一定时延才动作，是避免传感电路的噪声或尖脉冲引起误动作。门坎电压是电源电压为12V时的情况。
电压锁定功能是保证电源接通和关断过程正常，避免H桥功率开关因控制电源电压不正常引起损耗的增大。它利用一个齐纳二级管检查V{x)是否在8V以上，检查负偏压VBB是否达到要求值，其典型值为-1. 6V。否则，OUTDS为低电平，即欠电压锁定状态，直至VDD和VRB达到设定值才转为高电平，使系统进入正常运行状态。
外接过热保护电路或其它故障保护电路可以接至砑丽可蔼端，故障出现时逻辑零信号使它强置为低电平，作为系统禁止信号。
6.3.5 PWM和死区时间及最小占空比限制电路
由误差放大器输出控制，在PWM比较器产生两个互补的PWM信号，同时插入了死区时间，电路中还包括了最小占空比限制电路，这是使用交流耦合H桥电路所必需的。
6.3.6电源电路
供电电源电压典型值Vno-12V。在8脚产生VDD／2电压BYPASS，外接0.ltiF电容至模拟地可减低噪声干扰。
6.3.7负偏压产生电路
在某些H桥电路中，电机电流传感电阻上的电压信号可能是双极性的，它被IXMS150采样。此外，输入指令信号零飘也是微步距位置诶差的主要原因，故取输入控制指令电压是双极性的，范围是±2V。由于上述原因，****本IC有正电源和负电源供电。为了节省系统成本，使本IC能在单电源+VDD下正常工作，电路内设置了一个负电源发生器。它实际上是一个充电泵电路，频率与片内振荡器相同，由外接两个电容器和两个二极管产生等于-Vno/5的负偏压。当VDD=±12V时，VllEl约为-2.4V，负载能力3mA。当振荡器频率fo; =100Hz时，推荐的电容值为：
C1 =0. 047μF
Cz=lOOμF
6.4在步进电机微步距控制中的应用
对于两相}昆合式步进电动机，如果用两相正弦波电流代替一般使用的方波电流供给相绕组：
iA=I0cosθ
iB=I0sinθ
各自产生的转距为：
它与θ无关。这里θ是电角度，Ko是转距系数。产生的转距在任何位置都相等，没有转矩波动。上述为微步距控制的基本原理。问题是如何产生正弦电流。
IXSM150用于微步距控制，需要从外部产生两相电流指令从VINA和VINH输入，它们应当是正交的正弦波信号。在图3中给出的一种方案，是由一可逆计数器，PROM和DAC组成的一种简易的参考电流波形发生电路。在PROM中分别存有正弦和余弦函数表。步进指令信号UP或DOWN代表正转脉冲或反转脉冲信号，送入计数器进行加减计数，由此地址信号读PROM的函数表，再由DAC转换成正余弦电压信号。另一种办法由微处理器完成，只需外接两个DAC，由软件产生数字正余弦函数。
图3展示利用IXMS150的完整微步距控制系统。由两个H桥驱动两相绕组。每个H桥有两个P沟道的MOSFET(Qi和Q2)和两个N沟道MOSFET(Q3和Q4)。其特点是利用了交流电容耦合，简化了栅极驱动电平转换，有较高效率，并且适用于电机电源电压从12V到数百伏。其缺点是对空占比有限制，不能用到极限值。本电路限制PWM最小输出的脉宽为0. 5μs，即在lOOkHz下的占空比变化范围限制在百分之52～95。如果频率低一些，则范围可以拓宽。
H桥供电电压为VHV，在Q1和Q4导道工作时，电机绕组上的电压Vm=VHV，在Q2均 和Q3导通工作时，Vm=- VHV。由不同的PWM占空比(DUTY)，电机绕组电压的平值Vrmav被控制。
Vmav=2VHv (0.5 -DUTY)
从而双向控制了电机绕组的电流。
由6和19脚外接50Q电位器调节两通道的增益和增益平衡。由4脚外接50kΩ电位器调节输入级的失调电压。21脚亦可如此设置。
电流检测电阻Rs，Rs=0.625/Impk
式中Impk-电机绕组峰值电流(待续）
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