用于步进电机驱动器的单稳态触发器设计

2014-02-16张明星王良坤陈路鹏

电子测试 2014年20期

关键词：触发器高电平稳态

张明星,王良坤,,陈路鹏

（1.中国科学院微电子研究所，北京,100029；2.杭州中科微电子有限公司，杭州,310053）

用于步进电机驱动器的单稳态触发器设计

张明星1,王良坤1,2,陈路鹏2

（1.中国科学院微电子研究所，北京,100029；2.杭州中科微电子有限公司，杭州,310053）

针对两相双极型步进电机驱动器，设计了一款单稳态触发器，实现设置合理的固定衰减时间、遮掩时间，并且提供快衰减、慢衰减和混合衰减三种衰减模式，供驱动器根据电机运行速度进行智能选择，有效提高电机运行性能；基于0.35μm BCD工艺参数，运用HSPICE仿真软件进行仿真，结果表明电路稳定有效。

步进电机；单稳态触发器；遮掩时间；衰减模式

0 序言

目前电机特别是步进电机，对步距角的控制基本上都采用角度细分法，将电机线圈中电流按正弦波离散化后得到电流点作为细分点，然后利用斩波法实现电机线圈的横流输出。具体就是当检测到电机线圈电流达到设定的细分点后，立刻控制电机线圈进入固定时间的衰减过程，使电流“钳位”在该细分点处。

电机线圈电流衰减分多种模式，并各具特点。快衰减模式电流控制能力强，但震动大，噪音高；慢衰减模式虽然噪音低，但电流控制能力弱；混合衰减模式，即衰减过程先后采用快衰减和慢衰减，则兼具两者特点。因此需要根据电机运行速度不同，选择不同的衰减模式。例如高速时采用快衰减，否则会导致电机无力，严重时出现丢不、失步现象；低速时采用慢衰减，不然将导致电机震荡剧烈，噪音大；其他情况采用混合衰减，即减小噪音又减少丢步情况。

因此，本文设计了一款用于两相双极型步进电机驱动芯片的常0积分性单稳态触发器，采用高压BCD工艺实现，利用外接RC电路计时，输出固定宽度的脉冲VO1作为固定衰减时间toff，根据参考电压VPFD不同产生可调宽度的脉冲VO2作为快衰减时间toff，实现衰减模式可调。

此外，为驱动双极型步进电机，功率放大电路需要采用全桥结构。由于功率管内寄生的体二极管的反向恢复电流影响，在电机线圈从衰减状态到充电状态转换过程中，采样电流会出现较大的尖峰脉冲，导致单稳态触发器误触发，因此需要设置适当的遮掩时间tblank，且该遮掩时间不能过长，否则将增加控制电路反应时间，严重时会导致丢步现象。这里单稳态触发器的恢复时间tre作为遮掩时间tblank，设计值在1us左右。

1 单稳态触发器设计

对于单稳态触发器设计原理有很多论述，本文所设计的常0积分型单稳态触发器具体电路如图1、图2所示，它是上升沿触发的，并且不可重复触发。其中Rt和Ct是芯片外接的电阻电容，VPFD为芯片外部参考电压。图1所示的定时电路主要实现对外接RtCt电路充放电控制和对其端电压的比较输出，并与图2所示的数字逻辑电路电路构成反馈结构，实现电路稳态与暂稳态之间的切换。

如图1、2所示，当VO1为高电平时，MP7管关闭，外接电容Ct通过Rt放电，由于VB高于V2一个PNP管发射结阈值电压Vbe，在外接RtCt放电过程中，若VRC电压低于V2，忽略PNP管和NPN管发射结阈值电压的差异，Q2发射结压降超过阈值电压而导通，MP3管电流增大并镜像到MN4上，这里选取MN3、MN4宽长比比例为1:10，MN4管电流很快增大到远大于MP5管电流，comp1将由高电平迅速切换到低电平，表示暂稳态结束，VO1被复位为低电平，MP7管打开；此后电源VCC通过MP7管和电阻R5对外接RtCt电路充电，若VRC电压充电到高于V1，Q3导通，comp2变为低电平，同时MN6管打开，将VRC电压嵌位到V1，表示电路切换到稳态；当单稳态触发器处于稳态时，遇到输入信号Vi上升沿后，输出脉冲VO1会被置位为高电平，电路就从稳态切换到暂稳态。

图2 数字逻辑电路

因此，输出脉冲VO1的宽度tW(O1)等于电容Ct通过电阻Rt从V1放电到V2的时间，这里V1、V2分别设置为0.6VCC、0.21VCC，可以得到tW(O1)的表达式，如公式（1）所示：

而恢复时间tre的时间是电容Ct从V2充电到V1的时间，设MP7管的导通电阻为RON，由于RON、R5相对Rt很小，忽略Rt影响，得到tre的时表达式，如公式（2）所示。选取合适的MP7管尺寸和2K左右的R5阻，使得tre近似为1400Ct。

图1 定时电路

而分辨时间td则是电路中comp2的脉冲宽度，即是VO1脉冲宽度和tre时间之和，它的表达式如公式（3）所示，如图2所示，在分辨时间内，输入信号Vi上升沿是被屏蔽的。

如图1、2所示，若VRC电压高于VPFD，Q5关闭，comp3为高电平，而VRC电压低于VPFD时，Q5打开，comp3变为低电平。输出VO2的只有在VO1和comp3同时为高电平时才为输出高电平脉冲。

因此，输出脉冲VO2的宽度tW(O2)与VREF的取值范围有关，当VPFD取值在V1、V2在之间时，表示采用混合衰减模式，其中快衰减时间toff即tW(O1)的表达式如公式（4）所示：

而当VPFD大于V1时，tW(O2)取为零，表示采用慢衰减模式；VPFD小于V2时，tW(O2)与tW(O1)相等，表示采用快衰减模式。

enable为单稳态触发器的使能信号，当其为低电平时，MN7打开，电路停止工作，并且外接RtCt电路快速放电，直到enable重新变为高电平。

此外，为了增加电路稳定性，可以在输入信号Vi之前添加延迟电路，以屏蔽由于噪音干扰在输入信号Vi上引起尖峰脉冲，防止单稳态触发器误触发。

2 仿真验证结果

本文基于华虹0.35us的BCD350工艺下，利用cadence平台中的Spectre仿真器进行仿真。取电源电压VCC为5V，外接电阻Rt为56KΩ，电容Ct为680pF，VPFD分别为0V、2V、5V时，那么输出脉冲VO1宽度tW(O1)的理论值为38us，输出脉冲VO2宽度tW(O2)的理论值分别为38us、15.4us和0us，恢复时间tre的理论值为952ns。在tt工艺角，温度为27℃仿真结果如图3所示。

仿真结果表明tW(O1)为39us，VPFD取0V、2V及5V情况下tW(O2)分别为39us、15.7us和0us，tre为954ns。

与上述仿真取相同器件、输入参数，且VPFD取2V情况下，在温度取-40℃~150℃，不同工艺角ff、ss和tt下仿真，结果如表1所示，可知恢复时间tre在不同工艺角下变化较大，这主要是由于电阻R5受工艺影响较大，其他参数变化幅度在5%范围以内。

3 结束语

文中以RC为定时单元，设计了一款不可重复触发常0积分型单稳态触发器，用于实现步进电机线圈电流的斩波控制，基于0.35μmBCD工艺的仿真验证结果表明输出脉冲宽度、恢复时间参数合理有效，并且可以很大范围的选择衰减模式，提升电机运行性能。

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张明星（ZHANG Mingxing）男，1989年生，中国科学院微电子研究所硕士生，主要研究方向数模混合集成电路设计。

Design of monostable trigger for Stepper Motor Driver

Zhang Mingxing1,Wang Liangkun1,2,Chen Lupeng2
(1.Institute of Microelectronics,the Chinese Academy of Sciences,Beijing,100029,CHN; 2.Hangzhou Zhongke Microelectronics Co.,Ltd.,Hangzhou,310053,CHN)

This paper presents a monostable trigger for bipolar stepper motor,to produce suitable fixed off time,blanking time.Moreover it also provides three kinds of decay modes,such as fast decay,slow decay and mixed decay,for driver to choice based on the speed of stepper motor, in order to its improve the running performance.The HSPICE simulation results through the 0.35μm BCD technology are given here.The results of experiment verify the feasibility of the circuit.

Stepper Motor;Monostable Trigger;Blanking time;Decay Mode