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MTD2005F在汽车电动门窗步进马达的驱动电路中的应用研究

   日期:2013-03-23     来源:工控之家网    作者:工控之家    浏览:28    评论:0    
    越来越多的汽车中配备了电动门窗,步进马达的控制电路对汽车电动门窗的整个质量尤为关键。下面介绍一种 比较实用的汽车电动门窗步进马达的驱动电路,该电路采用SHINDENGEN(新电元)公司推出的一款两项双极型步进电机驱动集成电路MTD2005F, 特别适用于大功率的汽车电动门窗步进马达的控制。MTD2005F是两相电机恒流驱动芯片,它集成了功率器件和控制逻辑,外部需要连接一些简单的器件,实 现电机的恒流斩波控制。 

MTD2005F恒流驱动

    MTD2005F的恒流驱动电路如图1所示,电机线圈电路如图2所示。电路的工作过程如下。

图1 MTD2005F恒流驱动示意图

图2 电机线圈电路示意图

    (1)外部信号控制Q1、Q2开启,产生电流A(电源→Q1→马达线圈→Q2→Rs→地),电流A通过采样电阻Rs转换成电压Vs,当Vs升高到达参考电压Vref时,电流比较器输出一个控制信号关断Q1。

    (2)当恒流控制被激活后,Q1被关断,线圈的电感感应产生电流B(地→Dfw→马达线圈→Q2→Rs→地)。

    (3)电流B在经过斩波周期T之后,Q1再次被开启,再次产生电流A。电流重新上升,当Vs上升达到参考电压Vref时,Q1再次被关断。在这个之后,第二步和第三步不断循环。

    (4)外部信号关断Q1、Q2,产生电流C(地→Dfw→马达线圈→Dfb→电源),电流迅速降低。

驱动电流的设计

    驱动电流Ip的设计见下面公式。

    Ip=(5·R3)/(R2+R3)·N·(1/RS)

    其中,R2、R3如实例中的R2、R3;Rs为电流采样电阻,如实例中的R6、R7;N为PWM的百分比。

    在电机运行过程中,如果控制系统修改PWM值,则就改变了电机的驱动电流Ip。这在实际应用中很重要。比如电机需要进行加速和减速,电机驱动电流最好就需要改变。

斩波频率的设计

    斩波周期 T = 0.72Ct·Rt

    斩波频率 f = 1/T

    为了避免进入音频范围而产生噪声,斩波频率f通常被设置至少20kHz。但如果频率太高,则会增加集成芯片的功耗,使发热量增加。建议Ct =4700pF(2200~4700pF),Rt=13kΩ(10~40kΩ),斩波频率f最大值为30kHz。

降低功率的设计

    在输出端和电源地之间插入肖特基二极管,可以降低IC驱动片的功耗,电路如图3所示。

图3 降低功耗电路

图4 加减速曲线示例

    这些外部的肖特基二极管可以分流大部分续流电流,从而减少芯片内部的功耗。降低功耗的效果也取决于插入的肖特基二极管,建议采用SHINDENGEN(新电元)公司推出的D1FS4肖特基二极管。

输出电流的逻辑控制

    相位A、B控制电流的方向。在1-2项激励的情况下,ENA A和B按组合使用。下面是真值表和控制顺序。

步进马达加减速的设计

    通过输出电流的逻辑控制,可以使步进马达正向转动或者反向转动。为减少电动车窗在运行中的噪声和晃动,需要使步进马达能够平稳加速到一定的速度,或者减速到停止。

    加减速曲线一般有2种:渐进式和阶梯式。在汽车电动车窗的应用中,阶梯式在实际使用中效果更好。阶梯式加减速曲线见图5。

图5 实用实例原理图

应用实例

    应用实例的电路原理如图5所示,PWM设计值为50%,所使用的器件参数如下。

    U1:MTD2005F
    U2:74HCT07
    R1:13K,1%
    R2:10K,1%
    R3:1K,1%
    R4、R5:10K
    R6、R7:0.33Ω,1W,1%
    C1:4700pF,5%
    C2、C3:1000pF
    C4:47μF,50V
    C5:0.1μF
    D1、D2、D3、D4:D1FS4
    斩波频率理论值:f=1/0.72·4700·10-12·13·103=22.7kHz;
    驱动电流理论值:Ip=(5×1)/(10+1)×50% ×(1/0.33)=0.68A;
    实际测量结果如图6,斩波频率为23kHz,驱动电流为700mA,符合设计要求。

图6 实际测试电流波形图
 
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