步進(jìn)電機驅(qū)動相關(guān)的知識

之前小白白寫過一篇步進(jìn)電機驅(qū)動基礎(chǔ)，講了最基本的步進(jìn)電機驅(qū)動方法。

這里，接著以前的文章，再講一些步進(jìn)電機驅(qū)動相關(guān)的知識，主要包括步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動、加減速控制等內(nèi)容。

1)步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動

我們先來講解什么是細(xì)分驅(qū)動，以兩相的雙極性電機為例子，它的基本結(jié)構(gòu)如下圖：

最基本的驅(qū)動方式是依次執(zhí)行：A相通正電流，B相通正電流，A相通負(fù)電流，B相通負(fù)電流。這樣周而復(fù)始，每執(zhí)行一步，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個步距，類似于以前講的單4拍法驅(qū)動。

如下圖所示：

當(dāng)我們想讓它轉(zhuǎn)動更加平穩(wěn)時，可以使用類似單雙8拍法的驅(qū)動方式，依次執(zhí)行：A通正電流，A和B都通正電流，B通正電流，B通正電流A通負(fù)電流，A通負(fù)電流，A和B都通負(fù)電流、B通負(fù)電流、A通正電流B通負(fù)電流。

如下圖所示：

這里通過A、B同時通電使得轉(zhuǎn)子可以處在A、B中間的一個位置，使得原本一步走到的步距，變成了兩步走到，這樣可以使得步進(jìn)電機運行更加平穩(wěn)。

上述把四步變成八步的驅(qū)動方法，就是最簡單的一種細(xì)分驅(qū)動。實際上，步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動，就是在轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動一個步距的過程中，逐漸改變A、B相的電流(如A相逐漸變小、而B相逐漸變大)，使得轉(zhuǎn)子可以平穩(wěn)運動的驅(qū)動方法。

上面講的驅(qū)動方法，在一個步距中分成了兩步執(zhí)行，所以稱為2步細(xì)分;類似地，一個步距分為4步執(zhí)行時稱為4步細(xì)分。理想情況下如果無限細(xì)分下去，A、B相的電流就會變成正弦波。

如下圖所示：

使用細(xì)分驅(qū)動方式時，步進(jìn)電機的運行更加平穩(wěn)，并且可以使得實際可控的步距角更小了，有了更高的控制精度。

實際應(yīng)用中，實現(xiàn)細(xì)分一般都是由集成驅(qū)動芯片來完成的，如常見的A4988可以實現(xiàn)16步細(xì)分、RV8825芯片可以實現(xiàn)32步細(xì)分，TMC2209可以實現(xiàn)256細(xì)分。

另，網(wǎng)上可以買到的集成步進(jìn)電器驅(qū)動器，也帶由細(xì)分功能：

如果設(shè)計時體積比較寬松，可以考慮選擇成品的步進(jìn)電機驅(qū)動器，這樣會簡單很多。

2)步進(jìn)電機的加、減速控制

在步進(jìn)電機啟動時，由于轉(zhuǎn)子的速度是從零往上增加的，而步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動脈沖頻率相關(guān)，所以在啟動時，為了避免失步，通常會先給低頻率的脈沖驅(qū)動，之后逐漸增加，直到到達(dá)預(yù)定的轉(zhuǎn)速。

步進(jìn)電機減速時，與加速過程類似，轉(zhuǎn)子也是不能瞬間停止的，需要逐漸減小驅(qū)動脈沖頻率，直到減到預(yù)定轉(zhuǎn)速。

常用的加、減速控制方法有梯形曲線和S形曲線，也就是按梯形或S形曲線去加/減驅(qū)動脈沖的頻率。

梯形曲線的示例如下圖，就是在控制加速時，轉(zhuǎn)速均勻增加，而減速時，轉(zhuǎn)速均勻減?。?/p>

梯形曲線在加減速時，加速度是不變的，但是由于電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是非線性關(guān)系，所以轉(zhuǎn)速增加時轉(zhuǎn)矩會下降，有是有可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩不足而失步的。使用更加平滑的S形曲線進(jìn)行加減速控制，可以改善這一狀態(tài)。

一種S形曲線的加速實現(xiàn)方式示例如下圖，采用兩段加速度恒定的方式實現(xiàn)，第一段加速度均勻增加，第二段加速度均勻減小，直到加速度為0，停止加速。

S曲線的減速也可以看作加速的逆過程，處理方法類似。S形曲線可以看作梯形曲線的改進(jìn)，它在開始加速和停止加速的過渡區(qū)更加平滑。

這里要注意一下，S形曲線可以有多種實現(xiàn)方式，上面的例子只是一種方式，也可以由指數(shù)函數(shù)實現(xiàn)、正弦函數(shù)實現(xiàn)，需要依據(jù)實際情況選用合適的實現(xiàn)方式。