步進電機驅動IC的基本原理

最近用於步進電機的驅動 IC 已經小型化。由於開關元件 (FET) 的特性得到改善,因此通過降低導通電阻來抑制發熱量。還增加了各種功能來驅動 IC,使其更易於使用。
本節介紹步進電機驅動 IC 的基本部分。

電機驅動電路的分類

需要驅動電路來操作步進電機。

電機驅動有單極和雙極兩種驅動方式,流過電機的電流有兩種控制方式:恆壓和恆流。

組合包括:
[A] 單極恆壓驅動器
[B] 雙極恆壓驅動器
[C] 單極恆流驅動器
[D] 雙極恆流驅動器

等等。

在上述恆壓驅動器 [A] 和 [B] 中,根據歐姆定律,流經電機 [I] 的電流由電機線圈的電阻分量 [R] 和施加到電機的電壓 [V] 決定. *1

上述恆壓驅動器 [A] 和 [B] 具有簡單的電路配置。但是,由於電流值是固定的,因此電機特性(扭矩、響應性和發熱)的變化並不是那麼簡單。 *2

在上面的恆流驅動器[C]和[D]中,電機電流容易變化,所以電機特性的變化比較簡單。 *3 *4
此外,通過增加提供給電機的電壓,高速時的響應性優於恆壓驅動器。
上面的恆流驅動器[C]和[D]適合帶出步進電機的特性,因此半導體製造商一直在將這些驅動器轉換成他們的驅動IC。

*1除了電阻成分,還有電感成分的影響。然而,在低速下,阻力分量占主導地位。
*2要顯著改變特性,您需要改變電機本身或驅動電壓。您可以通過調整再生電路的常數來進行微小的特性變化。
*3可以通過調整電流值來改變特性。這時候就需要考慮電機發熱。
*4在額定電流驅動中,大電流值被節流到所需值。因此,您需要選擇電壓或線圈電阻值,以便流過的電流大於所需電流。

【圖解】單極驅動和雙極驅動

單極 雙極
通過將線圈對半使用,線圈的極性 (N/S) 會根據電流流動的方向進行切換。
・開關元件少,時序簡單。
・電機線圈的使用效率低。
通過改變流向電機線圈的電流方向,可以切換線圈的極性 (N/S)。
・開關元件多,時序複雜。
・電機線圈使用效率高。
 

【圖示】額定電壓驅動和額定電流驅動

額定電壓驅動 額定電流驅動
電機線圈的電阻分量 [R] 和電機施加電壓 [V] 決定了電機電流 [I]。
・電路構成簡單。
・電機以其基本特性運轉。用於低速操作。
檢測流過電機的電流 [I],並
通過開關元件將電流控制為恆定值。
・電路配置比較複雜。
・提高電機的特性。可以允許高速運行。
 

組合特點:[A] [B] [C] [D]

[A] 單極恆壓驅動器 [B] 雙極恆壓驅動器 [C] 單極恆流驅動器 [D] 雙極恆流驅動器
・勵磁控制:簡單
・線圈用量:一半
・電路配置:簡單
・特性可變性:難
・馬達特性:基本
・停止時難以抑制發熱
・勵磁控制:比較複雜
・線圈用途:整體
・電路配置:略複雜
・特性可變性:難
・馬達特性:基本
・停止時難以抑制發熱
・勵磁控制:簡單
・線圈用量:一半
・電路配置:複雜
・特徵可變性:簡單
・電機特性:改進
・可抑制停止時的發熱
・勵磁控制:比較複雜
・線圈用途:整體
・電路配置:複雜
・特徵可變性:簡單
・電機特性:改進
・可抑制停止時的發熱
適用於需要較少電機特性的低成本應用。

【操作特點】
低速運行
由於其電路配置複雜,在日本並未廣泛使用。

【操作特點】
低速和中扭矩運行
通過使用 IC,電路配置和可控性得到改善。有效利用電機特性。

【操作特點】
高速和中扭矩運行
通過轉換為IC,提高了電路配置和可控性。有效利用電機特性。

【操作特點】
中速高扭矩運行

* NPM的司機陣容:
單極恆壓驅動器 [AD1111、AD1131]
單極恆流驅動器 [AD1231]
雙極恆流驅動器 [AD1431]