步進(jìn)電機“乾坤大挪移”之外功招式——有感控制

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上期回顧：汽車電子中，識破開關(guān)頻率的凡爾賽文學(xué)（下篇）

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本期內(nèi)容

上回說到，初出茅廬的步進(jìn)電機通過磨練習(xí)得了細(xì)分控制，并且獲得了武林同僚們的認(rèn)可，它被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域當(dāng)中。

但是，如果步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子遇到失步，甚至更加惡劣的堵轉(zhuǎn)時，又沒有后續(xù)的診斷和解決策略，那么終端產(chǎn)品將無法發(fā)揮出所需的實力。

例如，在安防行業(yè)的球機應(yīng)用中，如果球機攝像頭在旋轉(zhuǎn)過程中遇到失步和堵轉(zhuǎn)的問題，就無法準(zhǔn)確捕獲到所需位置的圖像。

在打印機的應(yīng)用中，如果打印的轉(zhuǎn)軸遇到了旋轉(zhuǎn)失步或者堵轉(zhuǎn)的問題，打印出來的紙張文字間距就會不均勻。

所以步進(jìn)電機想要在電機領(lǐng)域內(nèi)更進(jìn)一步，堵轉(zhuǎn)和失步的問題是需要突破的一大難關(guān)，這次它又是何應(yīng)對的呢？在說明這個問題之前，我們還是需要進(jìn)一步認(rèn)識步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)和特性。

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步進(jìn)電機開環(huán)位置控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機開環(huán)位置控制系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成: MCU(進(jìn)行步進(jìn)脈沖和方向指令發(fā)送)、雙全橋驅(qū)動以及步進(jìn)電機(見圖1)。

圖1 步進(jìn)電機開環(huán)位置控制系統(tǒng)框圖

MCU發(fā)送步進(jìn)脈沖和方向指令，雙全橋驅(qū)動根據(jù)控制指令輸出功率，驅(qū)動步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)。MCU每發(fā)送一個脈沖，步進(jìn)電機就按照步進(jìn)模式旋轉(zhuǎn)一個電氣角度，所發(fā)送的脈沖頻率越高，相應(yīng)的步進(jìn)頻率也就越高，步進(jìn)電機就旋轉(zhuǎn)得越快。每秒的脈沖數(shù)量稱之為PPS(脈沖頻率)，代表了步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)速度。

步進(jìn)電機能夠輸出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由兩個參數(shù)來表示：牽入轉(zhuǎn)矩和牽出轉(zhuǎn)矩。這兩個參數(shù)可以在坐標(biāo)軸上清晰地表現(xiàn)出來，以PPS為橫坐標(biāo)，動態(tài)轉(zhuǎn)矩為縱坐標(biāo)，步進(jìn)電機會獲得牽入轉(zhuǎn)矩和牽出轉(zhuǎn)矩曲線(圖2)。

圖2 步進(jìn)電機牽入/牽出轉(zhuǎn)矩曲線

牽入轉(zhuǎn)矩

指步進(jìn)電機在不失步的情況下能夠按照給定的步進(jìn)頻率，克服轉(zhuǎn)子慣量，負(fù)載和摩擦力的情況下，確保啟動的加速轉(zhuǎn)矩。只要負(fù)載大小在牽入轉(zhuǎn)矩的曲線區(qū)域內(nèi)，也就是啟動區(qū)域內(nèi)，就能夠進(jìn)行正常的起步。

牽出轉(zhuǎn)矩

指步進(jìn)電機在不失步的前提下，能夠連續(xù)恒速運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)軸端可以提供的最大轉(zhuǎn)矩。

在牽入和牽出轉(zhuǎn)矩曲線之間是步進(jìn)電機的帶載連續(xù)運行區(qū)域。如果負(fù)載或者步進(jìn)頻率進(jìn)一步增加，步進(jìn)電機就會無法提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，就會處于失步區(qū)域。這是因為在更高的步進(jìn)頻率或者更重的負(fù)載情況下，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子實際的轉(zhuǎn)動頻率無法跟上定子磁場變換的頻率。如果負(fù)載在此時更進(jìn)一步的加重，嚴(yán)重情況下，將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子直接堵轉(zhuǎn)。

那么在實際的應(yīng)用中，將如何應(yīng)對步進(jìn)電機的失步和堵轉(zhuǎn)呢？

“乾坤大挪移”

為了應(yīng)對失步和堵轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機需要更進(jìn)一步地練習(xí)新的功法---“乾坤大挪移”。

該功法主要分為外功招式和內(nèi)功心法。外功招式就是有感控制，內(nèi)功心法則是無感的診斷方法。本篇內(nèi)容主要是對有感控制進(jìn)行詳細(xì)地介紹，無感的診斷方法將會出現(xiàn)在下篇內(nèi)容中。

有感控制

指步進(jìn)電機在不失步的情況下能夠按照給定的步進(jìn)頻率，克服轉(zhuǎn)子慣量，負(fù)載和摩擦力的情況下，確保啟動的加速轉(zhuǎn)矩。只要負(fù)載大小在牽入轉(zhuǎn)矩的曲線區(qū)域內(nèi)，也就是啟動區(qū)域內(nèi)，就能夠進(jìn)行正常的起步。

圖3 磁編碼器安裝結(jié)構(gòu)

圖4 步進(jìn)電機磁編碼器底裝示意圖

磁編碼器能夠輸出多種角度信號形式，來滿足不同要求下的應(yīng)用。

[A/B/Z 信號]

A/B/Z信號是一種增量型的脈沖輸出信號。(圖5)

A相和B相信號會在旋轉(zhuǎn)的每圈 (360°)輸出固定數(shù)量的脈沖方波。磁編碼器的分辨率越高，脈沖數(shù)目就越多。MCU通過對脈沖數(shù)目的捕獲就能計算出步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度大小，見公式(1)。

圖5 A/B/Z 角度信號

公式（1）

其中，Angle為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度，count為A相合B相的脈沖數(shù)目以及上升和下降沿總和， bit為磁編碼器的分辨率。A相和B相信號在相位上會相差90度，通過對A相和B相信號之間相位角的超前或者滯后的檢測，來判斷轉(zhuǎn)子是進(jìn)行了順時針還是逆時針的旋轉(zhuǎn)。Z相信號在每圈只會輸出一個脈沖，主要是用來做圈數(shù)角度的校準(zhǔn)使用。

[寄存器數(shù)值]

角度信號也可以通過讀取磁編碼器寄存器獲得(圖6)，這是一種絕對式的位置角度信號。無論轉(zhuǎn)子停在哪一個位置，都能有唯一對應(yīng)的磁場位置和角度信號。通過對讀取到的值進(jìn)行角度計算，就可以獲得轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，見公式(2)。

公式（2）

其中，Register為讀取的寄存器值大小，bit為磁編碼器的分辨率。

圖6 角度寄存器

[ 角度補償]

有了角度信息的輸入，步進(jìn)電機就仿佛知道了破綻所在。通過對比MCU輸出的角度指令PPS和角度傳感器反饋的角度信號，就能知道步進(jìn)電機目前是否處于失步和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過發(fā)送補償指令，控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，進(jìn)行角度補償。

控制的方式可以是半閉環(huán)的位置控制，MCU輸出補償脈沖進(jìn)行角度補償。（圖7）

圖7 步進(jìn)電機的位置半閉環(huán)控制

角度補償也可以是更為復(fù)雜和難度較高的位置閉環(huán)控制。用獲得的轉(zhuǎn)子角度信息，對步進(jìn)電機的A相和B相電流進(jìn)行空間坐標(biāo)變換，形成轉(zhuǎn)子位置和dq坐標(biāo)電流的雙閉環(huán)控制，就能獲得更好的性能。（圖8）

圖8 步進(jìn)電機的位置閉環(huán)控制

這里涉及的一些更深入的技術(shù)知識大家可以通過文獻(xiàn)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，本篇文章也只是做一個拋磚引玉。那么除了外功招式，內(nèi)功心法無感的診斷究竟是什么樣子的呢？讓我們下一期再見~

END

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