電流反饋控制電路的研究與設計

摘 要：傳統電壓控制模式的馬達驅動IC系統頻率受馬達本征頻率的制約，其相位延遲根據所加負載的變化而變化。當系統所需頻率的大于馬達的本征頻率時，電壓控制模式就很難滿足設計要求，然而電流反饋控制模式彌補了這個缺陷。基于Antek S3/S4 1 μm 12 V 1P1M/1P2M BJT設計工藝，設計一種采用電流反饋控制模式的馬達驅動IC，仿真結果表明與電壓控制模式相比，采用電流反饋控制模式系統工作頻率提高了30多倍，且其階躍響應速度也有明顯的提高。

關鍵詞：電流反饋控制；反向電動勢；相移；負載

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-051-03

Research and Design of Current Feedback Control Circuit

WEI Jianbin1，XIAO Ming2

(1.203 Teaching Room，Xidian University，Xi′an，710071，China;2.Micro-electronics Research Institute，Xidian University，Xi′an，710071，China)

Abstract：The system bandwidth of conventional voltage control mode motor driver IC is limited by the intrinsic frequency of the loading，and its phase shift is also dependent of loading.When required system frequency is higher than actuator′s natural frequency，the voltage control mode show poor performance.Moreover，the current control mode compensates this faults.This paper designs an current feedback control mode motor driver IC，which is fabricated with Antek S3/S4 1 μm 12V 1P1M/1P2M BJT process.The result of simulation show that the system frequency increase about more thirty times by using current feedback control mode than using voltage control mode，and its step response have obvious advance too.

Keywords：current feedback control;EMF;phase shift;loading

1 引 言

如今，隨著集成電路產業的快速發展，消費電子中馬達驅動IC的使用也越來越普遍。由于馬達自身特性決定，其產生電流相移的不連續對其驅動能力造成了很大的影響。為了減小由于負載電感所引起的電流相移，傳統方法常采用電壓控制模式實現，在高頻系統應用的場合中，電壓控制模式就很難達到預期的要求。在這種情況下，電流反饋控制模式應用而生，其特性很好地彌補了電壓控制模式的缺陷。本文將以含有馬達驅動IC的光媒體系統為研究對象，以此分析了電流反饋控制模式的工作原理，推導了如何簡單計算電流反饋控制器的增益及外部元器件的參數。基于Antek S3/S4 1 μm 12 V 1P1M/1P2M BJT工藝，依據電流控制原理設計了一款VCD/DVD驅動芯片。仿真結果表明:其系統工作頻率由電壓控制模式的17 kHz提高到538 kHz左右，且其階躍響應速度也有明顯的提高。

2 電壓控制原理

一般情況下，控制馬達的定位及速度，即控制其電樞電流。由于馬達的轉矩與其電樞電流成正比，因此直流馬達的電特性方程可表示為：

其中：Va為馬達終端電壓；Ia為馬達電樞電流；Ra為馬達繞線電阻；La為馬達繞線電感；Ea為與其角速度成正比的反向電動勢電壓。

當馬達的機械時間常數大于電特性時間常數時，其傳輸函數可簡化為：

典型的電壓控制模式結構如圖1所示，上下功率管將線性電壓傳給馬達。假設電流能很好地跟隨電壓，馬達的定位及速度就可以在所需要的系統頻率中很好的被控制。

3 電流控制模式

在低頻（小于馬達的本征頻率）和低精度電機控制系統中。常采用電壓控制模式，因為電壓控制模式電路簡單，不會出現穩定性問題，而在高頻和高精度的電機控制系統中，電壓控制模式就不在適應。當工作頻率大于馬達的本征頻率的時候，負載馬達不能迅速跟隨控制信號的變化，導致誤操作。為了精確的控制馬達，需要采用電流控制模式，由于電流模式是直接控制馬達的電樞電流，所以可以精確的控制馬達的速度和精度。

典型的電流控制結構如圖2所示。其中控制器模塊實現將電流誤差調整為零，其值等于需要的電流減去實際負載上的電流，這個模塊是通過抵消負載的延遲效應來實現。

3.1 電流控制原理分析

由圖2可以得出電流反饋控制器的頻域系統框，如圖3所示： 

5 結 語

CD媒體播放器的馬達驅動常采用簡單且容易實現的

電壓模式控制方法。但隨著CD多媒體系統所需處理數據量的增大，媒體播放器馬達的動態范圍也需要相應的增加，這就意味著為了匹配系統動態范圍而不更換馬達的情況下，需要采用另一種控制模式，從而導致電流反饋控制模式產生。但是這種控制模式復雜且難實現，本文基于馬達驅動器中電流反饋控制模式原理及系統增益等參數的計算方法，基于Antek S3/S4 1μm 12 V 1P1M/1P2M BJT工藝；設計了一款采用電流反饋控制模式的馬達驅動IC，經過HSpice仿真。仿真結果表明電流反饋控制模式通過PI調節器中的電容抵消掉負載電感的零點，使系統頻率及相應速度大幅度地提高。

參 考 文 獻

［1］Jim Karki.Voltage Feedback vs.Current Feedback OpAmps.Texas Instruments Application Note，SLVA051.

［2］Jim Karki.Fully Differential Amplifiers.Texas Instruments Application Note SLOA054D.

［3］Michael Steffes.Control Frequency Response and Noise in Broadband，Photodetector Transimpedence Amplifiers.EDN，Design Feature，1996:113-125.

［4］Michael Steffes.Design Methodology for MFB Filters in ADC Interface Applications.TI Application Note，SBOA114.

［5］王桂英，李艷軍，賈蘭英.電機學\\[M\\].沈陽：東北大學出版社，1999.

［6］李發海.電機學\\[M\\].北京：科學出版社，1998.

［7］樓順天.Matlab 7.x程序設計語言\\[M\\].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。