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[经验] 双极性步进电机的电流控制精度的重要性

2020-6-30 08:00:00  354 步进电机 电流控制
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双极性步进电机的基础知识
双极性步进电机包含两绕组,为了使电机运行平稳,不断的给这两个线圈加以相位差90度的正弦波,步进电机就开始转动起来。
<span]通常,步进电机不是由模拟线性放大器驱动;而是由PWM电流调节驱动,把线性的正弦波信号转换成了离散的直线段信号。 正弦波可被分成多段,随着段数的增加,波形不断接近正弦波。 实际应用中,段数多从4到2048或更多,大多数步进驱动IC采用4到64段细分。整步驱动,每一时刻只有一个相通电,两相电流交替和电流方向切换,使得一共产生四个步进电机机械状态。半步驱动,比整步驱动方式相对复杂一些,在同一时刻,可能两个相都需要被通电,如图1所示,使电机的步进分辨率提高了一倍。细分驱动,电机转子走一步的角度将会随着细分数的增加而减小,电机转动也越来越平稳,例如把一个32段细分序列称为八分之一步驱动模式(见图1)。

<span]图1:细分驱动的电流波形。
电流控制精度的重要性
双极性步进电机转子的位置取决于流经两个线圈绕组的电流的大小。通常,选择步进电机的主要指标为,准确的机械定位或精准的机械系统速度控制。所以绕组电流的精度控制对步进电机的平稳运行非常重要。
<span]在机械系统中,有两个问题会导致不准确的电流控制:
1、在低速运行或用步进电机用于定位控制的情况下,每一细分段电机运行的步数错误,导致错误的定位。
<span]2、在高速运行下,系统非线性会导致短期电机运行速度变化,使得力矩不稳,增加了电机噪声和振动。
PWM控制和电流衰减模式(Decay Mode)
大多数的步进电机驱动IC,依靠步进电机绕组的电感特性实现PWM电流调节。通过每个绕组对应的功率MOSFET组成的H桥电路,随着PWM控制开始,电源电压被加到电机绕组上,从而产生驱动电流。一旦电流达到设定值,H桥就会切换控制状态,使得输出电流衰减。]重复这一过程,使绕组电流上升和下降。通过电流采样和状态控制,可以调节控制每一段细分的峰值电流值。
在预期的峰值电流达到后,H桥驱动绕组的电流衰减控制方式有两种:
<span]1、绕组短路(同时开通低侧或高侧的MOSFET),电流衰减慢。
2、H桥反向导通,或允许电流通过MOSFET的体二极管流通,电流衰减快。
<span]这两种电流衰减方式称为慢衰减和快衰减(见图2)。
<span]图2:H桥工作状态。
由于电机绕组是感性的,电流的变化率取决于施加的电压和线圈感值。要步进电机快速运行,理想的情况就是是能够控制驱动电流在很短的时间内变化。不幸的是,电机运动中会产生一个电压,其方向与外加电压相反,反抗电流发生改变的趋势,称为“反电动势”。]传统的步进电机峰值电流控制,通常只检测通过线圈的峰值电流。 当预期的峰值电流达到后,H桥就会切换导通状态,使得输出电流衰减(快衰减,慢衰减,或两者的组合),持续一定固定时间,或等一个PWM周期结束。电流衰减时,驱动IC无法检测输出电流,从而导致一些问题。
一般来说,最好是用慢衰减,可以得到更小的电流纹波,平均电流能更准确的跟踪峰值电流。]为了防止采样到开关电流尖峰,在每个PWM周期的开始,有一个非常短的时间(blanking time)是不采样绕组电流的,那么此时的电流就是不受控制的。这会导致严重的电流波形畸变和电机运行的不稳定(见图3)。
<span]图3:慢衰减模式下的电流畸变。
在正弦波达到峰值后,电流先开始衰减,然后又增加,直到H桥工作在高阻状态,电流才继续向零衰减。
<span]为了避免这种情况,许多步进电机驱动芯片,在电流幅值增加的时候采用慢衰减模式,在电流幅值减小时使用快衰减或混合衰减(结合快衰减和慢衰减)模式。 然而,这两种衰减模式的平均电流是是完全不同的,因为快衰减模式时的电流纹波相对大很多。 结果就是,两种模式下的平均电流值相差很大,导致电机运行不平稳(见图4)。
<span]图4:传统峰值电流控制下的波形
如图4波形所示,峰值电流后一步和前一步的电机步进不一样,会导致位置误差和瞬时速度的变化。电流过零时,因为两种衰减模式的切换,也会有同样的问题。

jiciwi 2020-6-30 08:43:46
看看
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PADS菜鸟求指点 2020-6-30 09:26:30
大概能看懂,很不错
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