电机控制设计:用于高性能运动控制的微步进

步进电机是由直流电驱动的无刷同步电动机,该直流电以步骤旋转,使转子在特定电源下保持静止。通过电子驱动IC发送的明确定义的PWM脉冲序列将步进电机向一个方向转动。

步进电机具有一个特殊功能 - 能够非常精确地将转子轴旋转几度,而无需传感器来检测其角度位置。总之,电机的完全转动可以分为一定数量的步数。步进电机的宽度决定了步数。

在步进电机内部,定子上有几个绕组/线圈,它们像电磁铁一样工作。定子将磁场转换为电流。制造商声明的步数对应于彼此电连接的线圈组(称为相)的数量。在每组中,有几对并联的线圈。每个线圈对都围绕定子进行布置和电气连接。每个相位按顺序激活,以允许电机一步一步地旋转。

步进电机通过与从微控制器输出到电机驱动IC的脉冲信号同步,以精确的定位和速度控制运行。电机驱动IC通过向输出端的步进电机提供功率脉冲来对微控制器的信号做出反应。

步进电机由电脉冲操作,这些电脉冲按顺序馈送定子的一部分。定子被激励的顺序决定了旋转的方向。通过微步进技术,可以获得更流畅线性的运动和更好的定位。有不同的微步进模式,长度从1⁄3全步到1⁄32全步。

 

步进电机

驱动IC步进电机形成增量运动驱动。随着每个命令脉冲到达系统,电机完成有限的旋转。旋转是通过以给定的顺序和给定的电流方向为相位供电来实现的(图1和2)。

步进电机和主要部件的电气图
图1:步进电机和主要部件的电气图

 

双极和单极电机的通用布局
图2:双极和单极电机的通用布局


有不同的步进电机配置,甚至更多的驱动方式。最常见的定子配置是两个线圈。它们围绕定子的周长排列,使得当用方波信号驱动时,电机转动。要使电机朝相反方向转动,只需反转信号的相位A和B之间的比率即可。

 

步进电机的主要应用是机器人、办公自动化(OA)设备和医疗/护理设备,它们需要具有卓越精密电机控制和更好的抗环境影响能力的电机。旋转变压器和编码器等电机控制解决方案用于优化运动并保证电机的正确位置。

 

带旋转变压器的步进电机即使在炎热、灰尘或振动的恶劣环境中也能实现高精度电机控制,并最大限度地提高可用扭矩。旋转变压器是一种电感式位移传感器 - 一种用于测量角位移的机电设备。该器件检测电磁阀中磁感应通量的变化。

 

带旋转变压器的步进电机
图3:带旋转变压器的步进电机

 

步进电机的单极与双极驱动

步进电机可配置为单极或双极驱动;每种方法都有不同的性能属性和权衡。

尽管步进电机在精确定位方面具有实用性和适用性,特别是在来回运动应用中,但推迟其广泛采用的因素之一是提供所需驾驶员管理的挑战。然而,嵌入了高水平功能的IC的引入改变了这一点。许多供应商提供具有不同级别特性和功能的步进电机驱动IC

步进驱动IC的作用是充当系统微控制器(MCU)或处理器之间的接口,后者发出与运动相关的指令。然后,它通过直接管理电机的电流和电压(图4)或驱动外部 MOSFET 来实现这些功能。

 

步进电机驱动IC是MCU和电机
图4:步进电机驱动IC是MCU和电机本身之间的中介;更高功率的电机通常需要由驱动IC控制的分立式外部MOSFET,以实现所需的电流切换。

 

基本驱动IC具有一系列额定值组合,如通用单IC驱动器,可使用片上MOSFET为电机线圈提供高达1或 2A的电流。对于需要更多电流或电压的步进电机,使用不同的步进驱动IC,该驱动IC用作MOSFET驱动IC,不直接连接到电机。设计人员添加了合适的外部MOSFET,其额定值与电机和项目要求相匹配。一些供应商提供具有一系列电压和电流驱动能力的广泛系列,以及一些步进电机控制器,其额定温度范围更宽或适用于汽车应用

 

大量步进控制器产品
图5:一些供应商提供涵盖一系列电压、电流和认证级别的大量步进控制器产品

 

这些驱动IC之间的差异不仅在于其电压和电流驱动额定值或坚固性要求。这也是功能集和功能的问题。一些应用需要基本控制,而另一些应用则需要更高的复杂性和潜力,以用作更复杂的闭环系统的一部分。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-09-19 15:01
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