電機(jī)控制設(shè)計(jì):高性能運(yùn)動(dòng)控制的微步

步進(jìn)電機(jī)是由直流電驅(qū)動(dòng)的無刷同步電機(jī)，分步旋轉(zhuǎn)，在特定電源下保持轉(zhuǎn)子靜止。通過電子驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的明確定義的 PWM 脈沖序列使步進(jìn)電機(jī)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)具有一項(xiàng)特殊功能 - 能夠非常精確地將轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)幾度，并且無需傳感器來檢測(cè)其角位置。簡而言之，電機(jī)的一整圈可以分為一定的步數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的寬度決定步數(shù)。

在步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，定子上有幾個(gè)環(huán)形排列的繞組/線圈，它們像電磁鐵一樣工作。定子將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電流。制造商聲明的步數(shù)對(duì)應(yīng)于相互電連接的線圈組(稱為相)的數(shù)量。在每組內(nèi)，有幾對(duì)并聯(lián)的線圈。每個(gè)線圈對(duì)圍繞定子布置并電連接。每個(gè)相位按順序激活，以允許電機(jī)旋轉(zhuǎn)，一次一個(gè)步驟。

步進(jìn)電機(jī)通過與從微控制器輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)同步，實(shí)現(xiàn)精確的定位和速度控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過在輸出端向步進(jìn)電機(jī)提供功率脈沖來對(duì)微控制器的信號(hào)作出反應(yīng)。

步進(jìn)電機(jī)由電脈沖操作，電脈沖依次饋入定子的一部分。定子的勵(lì)磁順序決定了旋轉(zhuǎn)方向。通過微步進(jìn)技術(shù)，可以獲得更流暢和線性的運(yùn)動(dòng)以及更好的定位。有不同的微步模式，長度從 1?3 整步到 1?32 整步。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成增量運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。隨著到達(dá)系統(tǒng)的每個(gè)命令脈沖，電機(jī)完成有限旋轉(zhuǎn)。通過以給定的順序和給定的電流方向?yàn)橄?a target="_blank">供電來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)(圖 1和圖2)。

圖 1：步進(jìn)電機(jī)和主要組件的電氣圖(圖片：Maxim Integrated)

圖 2：雙極和單極電機(jī)的一般布局(圖片：Maxim Integrated)

有不同的步進(jìn)電機(jī)配置，甚至還有更多的驅(qū)動(dòng)方式。最常見的定子配置是兩個(gè)線圈。它們圍繞定子的圓周布置，這樣當(dāng)用方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。要使電機(jī)朝相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只需將信號(hào)的 A 相和 B 相之間的比率反向即可。

步進(jìn)電機(jī)的主要應(yīng)用是機(jī)器人、辦公自動(dòng)化 (OA) 設(shè)備和醫(yī)療/護(hù)理設(shè)備，這些應(yīng)用需要電機(jī)具有卓越的電機(jī)控制精度和更好的抗環(huán)境影響能力。旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器等電機(jī)控制解決方案用于優(yōu)化運(yùn)動(dòng)并保證電機(jī)的正確位置。

帶有旋轉(zhuǎn)變壓器的步進(jìn)電機(jī)即使在高溫、灰塵或振動(dòng)的惡劣環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)高精度電機(jī)控制，并最大限度地提高可用扭矩。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種感應(yīng)式位移傳感器——一種用于測(cè)量角位移的機(jī)電設(shè)備。該裝置檢測(cè)螺線管中磁感應(yīng)通量的變化。

例如，瑞薩電子公司開發(fā)了一種新的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)，它支持美蓓亞三美的新型步進(jìn)電機(jī)，以及用于控制帶有 32 位 RX MCU 的 RDC 的控制驅(qū)動(dòng)軟件。瑞薩和美蓓亞三美已開發(fā)出基于傳感器的步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)控制解決方案，可滿足惡劣環(huán)境下的超精密應(yīng)用要求(圖 3)。

圖 3：帶旋轉(zhuǎn)變壓器的步進(jìn)電機(jī)(圖片：瑞薩電子)

Toshiba Electronic Devices and Storage Corp. 的驅(qū)動(dòng)器解決方案采用主動(dòng)增益控制 (AGC) 技術(shù)，可檢測(cè)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩并自動(dòng)優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流。這可以防止電機(jī)打滑，同時(shí)簡化高效電機(jī)控制。

Maxim Integrated 提供MAX15024 / MAX15025 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，適用于工作頻率高達(dá) 1 MHz 且具有大容性負(fù)載的高頻和大功率電路。MAX15024可以吸收8 A的峰值電流并產(chǎn)生4 A的峰值電流。集成的可調(diào)LDO穩(wěn)壓器提供柵極驅(qū)動(dòng)幅度控制和優(yōu)化。

Infineon Technologies AG 提供TLE 8444SL，這是一款適用于汽車和工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的受保護(hù)四半橋 IC，它基于公司的智能混合技術(shù) SPT，將雙極和 CMOS 控制電路與 DMOS 功率器件相結(jié)合。PG-SSOP-24-7 封裝具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗?jié)省了 PCB 上的空間和成本。集成的保護(hù)和診斷功能提高了系統(tǒng)的可靠性和性能。

微 步步進(jìn)電機(jī)與能夠以電子方式分割電機(jī)機(jī)械步距的驅(qū)動(dòng)器結(jié)合使用時(shí)，可以執(zhí)行比整步更高的分辨率的定位。微步用于實(shí)現(xiàn)更高的步進(jìn)電機(jī)分辨率，在低速時(shí)提供更平滑的運(yùn)動(dòng)。

例如，螺距角為 1.8° 的步進(jìn)電機(jī)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)每轉(zhuǎn)一整圈(360 ÷ 1.8)旋轉(zhuǎn) 200 步(分辨率)。這種離散運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)不完全平滑。

使用微步進(jìn)技術(shù)減小電機(jī)步進(jìn)的尺寸可以在低速下提供更平滑的運(yùn)動(dòng)。微步控制將每個(gè)完整的步進(jìn)分成更小的值：例如，一個(gè) 1.8° 的螺距最多可以劃分 256 次，提供每轉(zhuǎn) 0.007° 的螺距角。

該數(shù)據(jù)表示位置的分辨率而不是其精度，這取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)電精度，如發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格所示(優(yōu)質(zhì)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)為 5%)。

微步使用脈寬調(diào)制 (PWM) 電壓來控制電機(jī)電流。當(dāng)一個(gè)繞組中的電流增加時(shí)，另一個(gè)繞組會(huì)減小。這導(dǎo)致平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。微步有時(shí)被認(rèn)為是機(jī)械齒輪的一個(gè)很好的替代品，因?yàn)樗粫?huì)在系統(tǒng)中引入反沖或降低最大系統(tǒng)速度(圖 4)。

圖 4：微步進(jìn)顯著減少了電機(jī)的位置振蕩。(圖片：多佛運(yùn)動(dòng))

微步進(jìn)可以在兩個(gè)步驟之間獲得大范圍的中間位置。轉(zhuǎn)子越接近平衡位置，相應(yīng)相位中的電流就越大。

微步進(jìn)更節(jié)能，使用更小、更頻繁的脈沖，使步進(jìn)電機(jī)的速度比平時(shí)略高。折衷方案是電機(jī)扭矩通常會(huì)略微降低。

市場(chǎng)上有多種集成微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。一種解決方案是 Allegro MicroSystems 的A4988 DMOS 微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其輸出驅(qū)動(dòng)能力高達(dá) 35 V 和 ±2 A。A4988 采用表面貼裝、5 × 5-mm、QFN 封裝并提供運(yùn)行能力在慢或混合衰減模式。混合衰減電流控制可降低可聽電機(jī)噪聲、提高俯仰精度并降低功耗(圖 5)。

圖 5：典型應(yīng)用圖(圖片：Allegro Microsystems)

另一個(gè)例子是 STMicroelectronics 的L6470H dSPIN 微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，它基于模擬混合信號(hào)技術(shù)構(gòu)建。微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器集成了一個(gè)雙路低 R DS(on) DMOS 橋，配有精確的電流檢測(cè)電路和過流保護(hù)。數(shù)字控制內(nèi)核通過一組專用寄存器進(jìn)行編程。它還包括保護(hù)電路，提供完全受保護(hù)的設(shè)計(jì)，滿足最苛刻的電機(jī)控制應(yīng)用的要求(圖 6)。

圖 6：L6470H 的電路圖(圖片：ST Microelectronics)

采用德州儀器公司開發(fā)的 AutoTune 技術(shù)的DRV8880和DRV8881電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過自動(dòng)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)以獲得最佳電流調(diào)節(jié)性能，同時(shí)補(bǔ)償電機(jī)變化和老化效應(yīng)。

采用 AutoTune 技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器能夠通過 1/16 步以上的微步來配置關(guān)斷時(shí)間 PWM 調(diào)制。它們可以并聯(lián)以獲得更高的輸出電流，對(duì)于 DRV8880，它具有用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制的內(nèi)部 DAC。

結(jié)論

步進(jìn)電機(jī)可以通過數(shù)字電路(例如微控制器)輕松且精確地控制，而無需檢測(cè)其角位置的設(shè)備。微步進(jìn)用于在低速下實(shí)現(xiàn)更高的分辨率、能源效率和更平滑的運(yùn)動(dòng)。它提供了更線性的操作，消除了階躍噪聲和共振問題。

但是，使用微步進(jìn)可以將扭矩降低多達(dá) 30%。因此，有必要評(píng)估電機(jī)的電氣規(guī)格以選擇合適的驅(qū)動(dòng)器。

審核編輯：湯梓紅