張明星,王良坤,,陳路鵬

（1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京,100029；2.杭州中科微電子有限公司，杭州,310053）

用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)計(jì)

張明星1,王良坤1,2,陳路鵬2

（1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京,100029；2.杭州中科微電子有限公司，杭州,310053）

針對(duì)兩相雙極型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了一款單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)設(shè)置合理的固定衰減時(shí)間、遮掩時(shí)間，并且提供快衰減、慢衰減和混合衰減三種衰減模式，供驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行智能選擇，有效提高電機(jī)運(yùn)行性能；基于0.35μm BCD工藝參數(shù)，運(yùn)用HSPICE仿真軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果表明電路穩(wěn)定有效。

步進(jìn)電機(jī)；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；遮掩時(shí)間；衰減模式

0 序言

目前電機(jī)特別是步進(jìn)電機(jī)，對(duì)步距角的控制基本上都采用角度細(xì)分法，將電機(jī)線圈中電流按正弦波離散化后得到電流點(diǎn)作為細(xì)分點(diǎn)，然后利用斬波法實(shí)現(xiàn)電機(jī)線圈的橫流輸出。具體就是當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)線圈電流達(dá)到設(shè)定的細(xì)分點(diǎn)后，立刻控制電機(jī)線圈進(jìn)入固定時(shí)間的衰減過程，使電流“鉗位”在該細(xì)分點(diǎn)處。

電機(jī)線圈電流衰減分多種模式，并各具特點(diǎn)?？焖p模式電流控制能力強(qiáng)，但震動(dòng)大，噪音高；慢衰減模式雖然噪音低，但電流控制能力弱；混合衰減模式，即衰減過程先后采用快衰減和慢衰減，則兼具兩者特點(diǎn)。因此需要根據(jù)電機(jī)運(yùn)行速度不同，選擇不同的衰減模式。例如高速時(shí)采用快衰減，否則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無力，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)丟不、失步現(xiàn)象；低速時(shí)采用慢衰減，不然將導(dǎo)致電機(jī)震蕩劇烈，噪音大；其他情況采用混合衰減，即減小噪音又減少丟步情況。

因此，本文設(shè)計(jì)了一款用于兩相雙極型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的常0積分性單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，采用高壓BCD工藝實(shí)現(xiàn)，利用外接RC電路計(jì)時(shí)，輸出固定寬度的脈沖VO1作為固定衰減時(shí)間toff，根據(jù)參考電壓VPFD不同產(chǎn)生可調(diào)寬度的脈沖VO2作為快衰減時(shí)間toff，實(shí)現(xiàn)衰減模式可調(diào)。

此外，為驅(qū)動(dòng)雙極型步進(jìn)電機(jī)，功率放大電路需要采用全橋結(jié)構(gòu)。由于功率管內(nèi)寄生的體二極管的反向恢復(fù)電流影響，在電機(jī)線圈從衰減狀態(tài)到充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，采樣電流會(huì)出現(xiàn)較大的尖峰脈沖，導(dǎo)致單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器誤觸發(fā)，因此需要設(shè)置適當(dāng)?shù)恼谘跁r(shí)間tblank，且該遮掩時(shí)間不能過長(zhǎng)，否則將增加控制電路反應(yīng)時(shí)間，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致丟步現(xiàn)象。這里單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的恢復(fù)時(shí)間tre作為遮掩時(shí)間tblank，設(shè)計(jì)值在1us左右。

1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)計(jì)

對(duì)于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)計(jì)原理有很多論述，本文所設(shè)計(jì)的常0積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器具體電路如圖1、圖2所示，它是上升沿觸發(fā)的，并且不可重復(fù)觸發(fā)。其中Rt和Ct是芯片外接的電阻電容，VPFD為芯片外部參考電壓。圖1所示的定時(shí)電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外接RtCt電路充放電控制和對(duì)其端電壓的比較輸出，并與圖2所示的數(shù)字邏輯電路電路構(gòu)成反饋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電路穩(wěn)態(tài)與暫穩(wěn)態(tài)之間的切換。

如圖1、2所示，當(dāng)VO1為高電平時(shí)，MP7管關(guān)閉，外接電容Ct通過Rt放電，由于VB高于V2一個(gè)PNP管發(fā)射結(jié)閾值電壓Vbe，在外接RtCt放電過程中，若VRC電壓低于V2，忽略PNP管和NPN管發(fā)射結(jié)閾值電壓的差異，Q2發(fā)射結(jié)壓降超過閾值電壓而導(dǎo)通，MP3管電流增大并鏡像到MN4上，這里選取MN3、MN4寬長(zhǎng)比比例為1:10，MN4管電流很快增大到遠(yuǎn)大于MP5管電流，comp1將由高電平迅速切換到低電平，表示暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，VO1被復(fù)位為低電平，MP7管打開；此后電源VCC通過MP7管和電阻R5對(duì)外接RtCt電路充電，若VRC電壓充電到高于V1，Q3導(dǎo)通，comp2變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)MN6管打開，將VRC電壓嵌位到V1，表示電路切換到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，遇到輸入信號(hào)Vi上升沿后，輸出脈沖VO1會(huì)被置位為高電平，電路就從穩(wěn)態(tài)切換到暫穩(wěn)態(tài)。

圖2 數(shù)字邏輯電路

因此，輸出脈沖VO1的寬度tW(O1)等于電容Ct通過電阻Rt從V1放電到V2的時(shí)間，這里V1、V2分別設(shè)置為0.6VCC、0.21VCC，可以得到tW(O1)的表達(dá)式，如公式（1）所示：

而恢復(fù)時(shí)間tre的時(shí)間是電容Ct從V2充電到V1的時(shí)間，設(shè)MP7管的導(dǎo)通電阻為RON，由于RON、R5相對(duì)Rt很小，忽略Rt影響，得到tre的時(shí)表達(dá)式，如公式（2）所示。選取合適的MP7管尺寸和2K左右的R5阻，使得tre近似為1400Ct。

圖1 定時(shí)電路

而分辨時(shí)間td則是電路中comp2的脈沖寬度，即是VO1脈沖寬度和tre時(shí)間之和，它的表達(dá)式如公式（3）所示，如圖2所示，在分辨時(shí)間內(nèi)，輸入信號(hào)Vi上升沿是被屏蔽的。

如圖1、2所示，若VRC電壓高于VPFD，Q5關(guān)閉，comp3為高電平，而VRC電壓低于VPFD時(shí)，Q5打開，comp3變?yōu)榈碗娖健］敵鯲O2的只有在VO1和comp3同時(shí)為高電平時(shí)才為輸出高電平脈沖。

因此，輸出脈沖VO2的寬度tW(O2)與VREF的取值范圍有關(guān)，當(dāng)VPFD取值在V1、V2在之間時(shí)，表示采用混合衰減模式，其中快衰減時(shí)間toff即tW(O1)的表達(dá)式如公式（4）所示：

而當(dāng)VPFD大于V1時(shí)，tW(O2)取為零，表示采用慢衰減模式；VPFD小于V2時(shí)，tW(O2)與tW(O1)相等，表示采用快衰減模式。

enable為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的使能信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，MN7打開，電路停止工作，并且外接RtCt電路快速放電，直到enable重新變?yōu)楦唠娖健?/p>

此外，為了增加電路穩(wěn)定性，可以在輸入信號(hào)Vi之前添加延遲電路，以屏蔽由于噪音干擾在輸入信號(hào)Vi上引起尖峰脈沖，防止單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器誤觸發(fā)。

2 仿真驗(yàn)證結(jié)果

本文基于華虹0.35us的BCD350工藝下，利用cadence平臺(tái)中的Spectre仿真器進(jìn)行仿真。取電源電壓VCC為5V，外接電阻Rt為56KΩ，電容Ct為680pF，VPFD分別為0V、2V、5V時(shí)，那么輸出脈沖VO1寬度tW(O1)的理論值為38us，輸出脈沖VO2寬度tW(O2)的理論值分別為38us、15.4us和0us，恢復(fù)時(shí)間tre的理論值為952ns。在tt工藝角，溫度為27℃仿真結(jié)果如圖3所示。

仿真結(jié)果表明tW(O1)為39us，VPFD取0V、2V及5V情況下tW(O2)分別為39us、15.7us和0us，tre為954ns。

與上述仿真取相同器件、輸入?yún)?shù)，且VPFD取2V情況下，在溫度取-40℃~150℃，不同工藝角ff、ss和tt下仿真，結(jié)果如表1所示，可知恢復(fù)時(shí)間tre在不同工藝角下變化較大，這主要是由于電阻R5受工藝影響較大，其他參數(shù)變化幅度在5%范圍以內(nèi)。

3 結(jié)束語

文中以RC為定時(shí)單元，設(shè)計(jì)了一款不可重復(fù)觸發(fā)常0積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)線圈電流的斬波控制，基于0.35μmBCD工藝的仿真驗(yàn)證結(jié)果表明輸出脈沖寬度、恢復(fù)時(shí)間參數(shù)合理有效，并且可以很大范圍的選擇衰減模式，提升電機(jī)運(yùn)行性能。

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張明星（ZHANG Mingxing） 男，1989年生，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所碩士生，主要研究方向數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)。

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

圖3 VPFD分別為0V、2V、5V時(shí)的仿真結(jié)果

TN453

A

1000-7180 (2008) xx-xxxx-x