JAJSJR7B August 2022 – October 2023 DRV8462
PRODUCTION DATA
従来のピーク電流モード制御は、検出中の MOSFET の瞬間的な電流を調べて、駆動時間と減衰時間を決定します。このため、モーター・ドライバはシステムの瞬間的な不正確性に反応します。このような電流の急激な変化により、モーターから可聴ノイズが発生します。
ノイズのないステッパ・モーター動作を実現するため、DRV8462 にはサイレント・ステップ減衰モードが搭載されています。サイレント・ステップは、静止時と低速時に PWM スイッチングを行うことでノイズを除去する電圧モードの PWM レギュレーション方式です。そのため、サイレント・ステップで動作するステッパ・モーター・アプリケーションは、ノイズが低い動作が重要な 3D プリンタ、医療機器、ファクトリ・オートメーションなどのアプリケーションに最適です。
デバイスがサイレント・ステップ減衰モードで動作している場合:
開放負荷障害検出は、モーターが動作しているときのみ機能しますが、モーターが静止している場合は機能しません。
ストール検出機能はサポートされていません。
スペクトラム拡散機能はディセーブルです。
サイレント・ステップ・ループは低帯域幅動作向けに設計されているため、モーター速度が中程度から高速のときは、減衰モードから DECAY ビットでプログラムされた従来の電流モード減衰方式の 1 つに戻すことが可能です。サイレント・ステップから他の減衰モードへはすぐに移行しますが、他の減衰モードからサイレント・ステップへは電気的半サイクルの境界で移行します。
図 7-19 に、サイレント・ステップ減衰モードの実装のブロック図を示します。
表 7-23 に、サイレント・ステップ減衰モードに関連する SPI レジスタのパラメータを示します。
パラメータ |
概要 |
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EN_SS | EN_SS ビットが 1b の場合、サイレント・ステップ減衰モードがイネーブルになります。デバイスは、コイル A およびコイル B の電流に対してそれぞれ 1 つのゼロ交差が発生した後、サイレント・ステップで動作を開始します。EN_SS に 0b を書き込むと、サイレント・ステップ減衰モードがディセーブルされ、DECAY ビット設定に従って減衰モードが変化します。 |
SS_PWM_FREQ[1:0] | サイレント・ステップ減衰モードでの PWM 周波数 (FPWM) を表します。
PWM 周波数が高くなると、スイッチング損失も大きくなります。 |
SS_SMPL_SEL[1:0] | サイレント・ステップ電流ゼロ交差サンプリング時間。デフォルト値は 2μs です。ゼロ交差付近で電流波形が歪んでいる場合は、サンプリング時間を長くしてください。
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SS_KP[6:0] | サイレント・ステップ PI コントローラの比例ゲインを表します。範囲は 0~127 で、デフォルト値は 0 です。 |
SS_KI[6:0] | サイレント・ステップ PI コントローラの積分ゲインを表します。範囲は 0~127 で、デフォルト値は 0 です。 |
SS_KP_DIV_SEL[2:0] | KP の分割係数。実際の KP は SS_KP / SS_KP_DIV_SEL です。
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SS_KI_DIV_SEL[2:0] | KI の分割係数。実際の KI = SS_KI / SS_KI_DIV_SEL です。
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SS_THR[7:0] | デバイスがサイレント・ステップ減衰モードから、DECAY ビットによってプログラムされた別の減衰モードに遷移する周波数をプログラムします。この周波数は、正弦波電流波形の周波数に相当します。
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SS_THR スレッショルドを、指定されたマイクロステッピング設定のステップ周波数 (fSTEP) に変換するには、式 15 を使用する必要があります。
ここで、usm はマイクロステップ数 (4、16、256 など) に相当します。デバイスがカスタム・マイクロステッピング・モードで動作している場合、ステップ周波数求めるには、式 15 に usm = 256 を使用します。
サイレント・ステップ・ループのゲインと周波数との関係を以下に示します。
ループ伝達関数には、次の 2 つの極と 1 つのゼロが含まれます。
原点に 1 つの極
モーター・コイルの抵抗とインダクタンスによる 1 つの極 (fP)
PI ループによって生成される 1 つのゼロ (fZ)
目標のループ・ゲインを実現するには、比例ゲイン KP を選択する必要があります。KP の値は次の式で計算します。
いずれかの周波数が UGB 未満になると、伝搬が許可されます。
PWM 周波数やステップ周波数など、UGB 以上の周波数は減衰し、モーターのノイズには影響しません。
可聴範囲内の大部分の周波数を減衰させるには、UGB を 200Hz にするのが妥当です。
電源電圧が変化した場合は、KP の値を変更することで UGB を変更できます。この方法で、さまざまな動作条件にわたって同様のオーディオ・ノイズを抑制することができます。
モーターの極より低い周波数にゼロを選択すると、ゲインと周波数との関係に示すように UGB は増加します。
モーターの極をキャンセルするようにゼロを配置する必要があります。離散化された実装では fP と fZ を等しくすることで、次の式を使用して KI を計算できます。
例として、以下の使用事例を考えてみます。
VM = 24V
IFS = 5A
RMOTOR = 0.3Ω
LMOTOR = 0.7mH
UGB = 200Hz
FPWM = 25kHz
50RPM を超えると、減衰モードはサイレント・ステップからスマート・チューン・リップル・コントロールに変更されます。
上記の式を使用すると、KP = 0.18326、KI = 0.00314 となります。次のレジスタ値を設定できます。
SS_KP = 0101111b = 47
SS_KI = 0000001b = 1
SS_KP_DIV_SEL = 011b = 1/256
SS_KI_DIV_SEL = 011b = 1/256
50RPM は 1/256 マイクロステッピング時に約 42.6kpps に相当し、42Hz の正弦波電流波形の周波数に相当します。SS_THR = 00010101b = 21 です。
図 7-21 に、モーターがサイレント・ステップ減衰モードで動作しているときの滑らかな正弦波コイル電流の波形を示します。
SS_SMPL_SEL ビットは、ゼロ交差点付近での電流波形の滑らかさに影響を及ぼします。デフォルト値の 2μs サンプリング時間は、ほとんどのモーターやアプリケーションで適切に動作します。電流波形の歪みがゼロ交差付近で除去される場合、サンプリング時間の値を最大 5μs まで増やすことができます。図 7-22 は、サイレント・ステップ減衰モードからスマート・チューン・リップル・コントロール減衰モードへの遷移の例で、サンプリング時間は 5μs です。