基于办公自动化设备的高能效步进电机驱动器方案

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电机的应用非常广泛，遍及人们工作及生活的各个领域，如打印机、复印机、传真机、投影仪、电冰箱、洗衣机、空调、燃气灶、照相机、ATM机、电动缝纫机、保安摄像机、自动售货机、热水供应系统、园林灌溉系统及工业自动化等。本文探讨了步进电机驱动的常见挑战，并重点介绍针对办公自动化设备应用的高能效步进电机驱动器方案。
       
        0引言
       
        在节能越来越受重视的当今，高能效的驱动电机显得尤为重要。从类型上看，电机包括交流电机、直流有刷电机、直流无刷电机、永磁同步电机、伺服电机和步进电机等。其中，步进电机采用脉冲工作，也称作数字电机或脉冲电机。
       
        步进电机的旋转角与脉冲数量成正比，速度则与脉冲频率成正比，可通过控制脉冲数量来精确控制步进电机的旋转，使其非常适合于定位应用。本文将探讨步进电机驱动的常见挑战，并重点介绍针对办公自动化设备应用的高能效步进电机驱动器方案。
       
        1步进电机驱动应用的常见挑战
       
        电机驱动器能用于多种不同的应用。设计工程师在设计中使用电机驱动器时面对一些共通的挑战。首先，当今的大多数设计都要求电机驱动应用及相关电机驱动IC和元件提供低能耗和高能效。例如，在如果风扇驱动器电路板位于密封壳体内部，就会产生热量，要求额外的能耗来将它冷却。因此，就需要使用内置风扇在内部环流冷风，以减少热量并管理散热。故工程师可能会要求低功率损耗，同时还要求强大、具备高能效冷却功能的电机。
         
       
        图1电机驱动器应用示例及其常见挑战
       
        其次，从终端用户角度来讲，极需要降低电机产生的噪声，以避免造成不适的感觉。设计人员还必须能够补偿系统中的任何外部噪声或振动。再次，无论是因为居住空间有限或是用户偏好，消费者对紧凑型方案的需求高是一项普通的消费趋势。这趋势导致更小尺寸及低噪声的电机更受偏好，但这在尝试补偿其它设计要求时并不总是具有可能性。
       
        值得注意的是，由于要求高压电源来驱动白家电及工业等应用，电机及电机驱动器的耐用性及安全性至关重要。更不用说工程师需要选择能够精确控制速度的可靠电机。
       
        2永磁型和混合型步进电机的工作原理
       
        步进电机常用于精密控制应用，并采用像微步进的技术来减轻电机振动。图2显示了永磁型步进电机及混合型步进电机的工作原理图解。步进电机以数字脉冲形式工作，通常称作同步电机或脉冲电机。步进电机通过导通及关闭MOSFET来控制转动。
         
       
        图2永磁型及混合型步进电机的工作原理图
       
        以图2左侧为例，当电流流过MOSFET开关OUT1和OUT2时，永磁转子的位置如左图所示。控制OUT1、2、3及4的电流，就可以控制转子位置。转角与脉冲数量成正比，转速与脉冲的频率成正比。您可以藉控制脉冲数量来精密地控制转子位置，使其适合于定位。
       
        3步进电机及驱动器产品设计
       
        如前所述，步进电机的应用非常广泛，如在ATM自动柜员机中用于进钞控制及存折卷入等功能，又如在自动售卖机中用于货品移动，以及在老虎机中用于轮盘旋转等。本文讨论的重点是针对办公自动化应用的步进电机及驱动器，典型产品有如打印机及扫描仪。通常情况下，进纸、纸托盘及扫描等功能可能使用到步进电机，用于位置控制。
         
       
        图3步进电机及驱动器在常见办公自动化设备中的应用示例
       
        如图3所示，步进电机精确地将纸从A点移到B点。如果终端用户的首要要求是静音驱动，那么就适宜采用低振动的微步步进电机。在这类应用中，步进电机及直流无刷电机用于将墨带压到纸上。要求采用步进电机来在需要定位的地方调节墨带对纸的压力。而在台式扫描仪等设备中，设计人员选择具备定位功能、低振动及电机旋转控制范围的电机
       
        4 LV8702高能效步进电机驱动器的特性、优势及应用示例
       
        目前，多种电子产品中使用的步进电机能效较低，成为业界关注的一项焦点，也为电源系统设计工程师带来了挑战。安森美半导体推出的LV8702高能效步进电机驱动IC克服这些挑战，提供独特的驱动系统，帮助节省电机的空载能耗，且提供多重应用优势。
       
        LV8702的供电电压VM范围为9至32 V，最大支持36 V；输出电流为2.5 A，并支持3 A的峰值电流。这器件的输出导通阻抗仅为0.55Ω，帮助高能效驱动步进电机。LV8702内置高能效模式、失步检测功能及输出短路保护功能，帮助降低电机驱动能耗，减少发热量，减轻振动及噪声，并提供高可靠性。LV8702的典型应用包括复印机、文档扫描仪、多功能打印机等办公自动化设备，以及缝纫机等工为设备和老虎机等娱乐设备。
         
       
        图4 LV8702高能效步进电机驱动IC应用演示装置
         
          为了彰显LV8702步进电机驱动器的应用优势，安森美半导体构建了如图4所示的演示装置。我们首先导通电机开关。此开关启用LV8702电机驱动器IC以显示其效用。随着电机开始运行，我们来测量电机电流波形。然后，在保持电机驱动的同时，我们导通高能效开关。电流波形测试结果如图5所示。左侧显示了高能效开关未启用时的电机驱动器驱动电流，右侧显示的则是导通高能效开关后的情况，可见驱动电流明显降低，表示能耗更低。
         
       
        图5 LV8702可通过GAD引脚设计的高能效驱动模式
       
        LV8702高能效模式减小了平均电流，进而也减少产生的热量。IC表面温度测试显示，高能效开关启用的情况下，驱动器IC及电机表面温度分别下降了46℃和28℃。这功能有潜力在某些应用中省去冷却风扇，节省空间及成本，还增强系统可靠性。此外，通过比较电机VM电流，还以发现LV8702能够节省能耗高达80%（见图6）。设计人员能够利用LV8702开发高能效的办公自动化设备，并符合世界各地对提升能效的需求。
       
        图6通过比较电机VM电流
       
        LV8702内置电荷泵电路，用于驱动高边N沟道MOSFET。LV8702支持4种微步模式，包括满步、半步（满转矩）、半步及1/4步等，能够帮助减轻电机振动进而降低噪声。这器件内置输出短路保护功能，针对输出对电源短路、输出对地短路及负载短路等状况提供保护。
       
        5总结
       
        对于当今的电源系统设计人员而言，要符合世界各地的能效法规及终端用户对节能的更高需求，不仅要提升电源的能效、改善功率因数及降低轻载和待机能耗，还要提升当今电子产品中广泛使用的电机的能效，降低其能耗，并提供可靠性。本方案重点步进电机驱动的常见挑战及其工作原理，重点介绍了LV8702高能效步进电机驱动器的特性，并结合演示装置的测试结果，介绍了其应用优势，旨在帮助设计人员利用这系列IC开发高能效的办公自动化设备电机驱动应用，在市场竞争中占据有利位置。