步进电机驱动器:帮助确定正确选择的因素

步进电机和基于步进的线性致动器通常用于开环运动控制设备和设备。这些产品和系统种类繁多,如实验室设备、医疗设备、视觉系统、分析设备、办公产品、航空航天、通信系统、半导体设备和轻工业设备。


步进驱动器的两种基本类型


步进电机驱动器

步进电机和基于步进的线性致动器的两种主要驱动IC类型是L/R驱动器和斩波器驱动器。选择驱动器类型的一些标准包括:

  • 驱动IC的成本
  • 驱动器的物理大小和配置
  • 可用电源
  • 驱动器的额定输出电流
  • 运动占空比
  • 电机上的总负载
  • 电机所需转速范围

 

L/R 驱动器

将L/R驱动IC视为“恒压”驱动IC。对于在室温环境中连续工作电机,您基本上将L/R驱动IC的可用电源电压与电机的额定线圈电压相匹配。关于名称L/R驱动IC,L是电感的电气符号,R是电阻的电气符号。由于步进电机转矩与安培匝数成正比,因此通过电机绕组的电流决定了任何速度(包括零)下的输出性能。

在静止时,通过绕组的最大“保持电流”电流受到线圈电阻的限制。随着步进速率(电机速度)的增加,线圈电感与反电动势一起成为主要的限流系数(限制线圈电流的变化率)。反电动势是与电机绕组在旋转过程中产生的速度成比例的产生电压,其工作电压与源电压相反,因为每个电机也是一个发电机。

与使用斩波器驱动器相比,使用L / R驱动器运行的电机的性能范围相对有限。L/R驱动IC的源电压与电机电压之比基本上是1:1,而对于斩波器驱动器,它可以是许多倍数,例如2:1,4:1,8:1或更高(见图3)。

堆叠线性步进电机
图1.Can堆叠线性步进电机,用于各种医疗应用,包括电动手持式移液器


选择L/R驱动器而不是斩波驱动器的一些原因可能是驱动器成本较低,物理尺寸较小,电机速度范围相对较慢,使用单极电机或使用电池电源的限制。使用带有小型步进式线性致动器的L/ R驱动器和基于小型步进的线性致动器的产品的一个很好的例子是手持式电动移液器,如图1所示。

通常,步进电机和基于步进的线性致动器制造商发布的L/R驱动器性能曲线是使用电机引线处的全额定电机电压以每秒零步进的速度开发的。如果驱动电路中存在任何电压降,则直流电源电压将设置得略高,以补偿驱动器中的总电压损耗。

 

斩波器驱动器


可编程的创意驱动器
图2.PC可编程的创意驱动器

将此类型视为“恒流”驱动IC。对于室温环境中的连续负载电机操作,您可以将斩波器驱动器的输出 RMS(均方根)电流设置为电机的额定 RMS线圈电流。关于斩波器驱动器的名称,这种在整个可用速度范围内保持适当的电机相电流水平的技术是通过成比例的占空比快速打开和关闭(即斩波)相对较高的源电压,同时电路监控电机绕组中的电流水平。斩波器驱动器可以是独立的单元,也可以与电机集成。有关紧凑型独立斩波器驱动器的示例,请参见图2。

如果应用在中等温度环境中具有相当短的占空比(即相对于OFF或较低电流零运动保持时间的全通电或运行时间),则可以使用更高的运行电流幅度来提高电机的运动性能;但是,在使用这种高于额定值的运行电流时必须小心。电流水平和导通时间与保持或关闭时间的关系,以及环境温度和任何电机冷却方法(传导、对流等)将决定内部线圈温度。如果需要非常高的相电流,建议咨询电机制造商。

 

源电压比对电机性能的相对影响
图3.源电压比对电机性能的相对影响

 

斩波器驱动器中的附加电路可感测相电流的大小并控制电压斩波,可能会提高其价格(与L/R驱动IC相比),但它可以帮助在整个相对较宽的速度范围内保持高水平的电机扭矩或力。斩波器驱动器的电源电压通常远高于电机的额定电压。如L/R驱动部分所述,斩波器驱动的源电压与电机电压比通常明显高于1:1,通常为8:1甚至更高;因此,相对性能范围可以大大提高(见图3)。

相对低压步进电机和执行器的电感明显小于其机械等效电机的较高额定线圈电压。为了在较宽的速度范围内实现非常好的电机性能,请选择在相对较高的源电压下使用斩波器驱动运行的低压电机。低压电机的相对低电感和较低的反电动势特性与高源电压斩波器驱动相结合,可以提供出色的性能结果。这些低压电机配置的主要要求是驱动器必须能够提供更高水平的相电流。

作为警告,一些斩波驱动器制造商将其产品的输出相电流水平宣传为峰值;使用较大的值通常是一种营销策略。步进电机和基于步进的线性致动器的连续占空载相电流通常额定值为RMS值(RMS = 峰值×0.707)

 

配置和功能

步进驱动器可以有其他配置和功能:

  • 双极驱动IC。用于操作4引脚或8引脚双极步进电机和基于步进的线性致动器。
  • 单极驱动IC。用于操作6或8引脚单极步进器和执行器(通常为L/R型驱动IC)。
  • 非可编程驱动IC。需要来自控制器的数字“脉冲”和“方向”输入(有些包括“输出使能”数字输入)。控制器为每个电机步进向驱动器输出单个脉冲,并向驱动器输出一个脉冲流,以便电机“索引”精确的量。驱动器的脉冲量决定了旋转或线性运动的数量,脉冲序列的频率分别决定了步进电机或线性致动器的旋转或线性速度。
  • 可编程驱动器。这些驱动器包含一个微处理器,除了立即执行电机命令外,还可以执行各种运动控制程序。这些驱动器可以在任何方向上以各种速度实时或在用户指定的程序控制下具有几乎任何数量的电机索引。大多数可编程驱动器具有一些通用(GP)数字输入/输出(I / O),用于与其他设备通信或控制(从而提供协调的系统运动控制),并且还具有一些基于GP输入,相对电机位置和/或编码器反馈数据的条件功能。
  • 半步模式以及标准全步模式。在半步进模式下,驱动器可以电子方式将步进电机的每个全步分成两半;例如,具有15°全步转的步进电机可以在半步进模式下以7.5°步进角运行。1.8°步进电机可以以0.9°的半步增量运行,依此类推。同样,使用半步进模式,基于步进的线性致动器的线性分辨率可以分成两半。
  • 微步进模式。微步进驱动器可以电子方式将步进电机或致动器的每个完整步进划分为比半步进更精细的离散步进角。典型的除法系数有1/4、1/8、1/16、1/32等,和/或1/5、1/10、1/25、1/50等。微步进电机的四个主要优点是提高旋转或线性分辨率,更平稳的运行,减少可听见的动态噪声以及减少动态共振。这些优势的权衡是电机步进精度和可重复性降低,特别是在负载条件下。
  • 编码器输入。有许多应用可能需要速度验证和/或位置验证方法,例如某些医疗设备,气体或液体流量调节,通信设备或微电子学。为了关闭基于步进系统的回路,集成的电机安装或负载连接的旋转或线性编码器基本上可以“告诉”这种类型的驱动器,电机是否成功达到命令步进速率和/或已经实现了每次移动的真实命令位置。如上所述,编码器还可以恢复使用精细微步进模式时电机步进精度的显著损失。

 

非斜坡性能曲线
图4.非斜坡性能曲线,适用于具有100%占空比斩波器驱动的17号双极混合式线性步进电机

 

  • 加速/减速 斜坡。为了帮助获得相对更大的负载移动和/或实现更高的电机步进率(可能不必更改为物理上更大的电机),通常可以通过许多步进驱动器来实现加速/减速斜坡的使用。如典型的已发布(非斜坡)速度与扭矩的关系曲线,或步进电机或基于步进的执行器的速度与力的性能曲线所示,电机速度越慢,输出扭矩或输出力就越高。有关线性致动器非斜坡性能曲线的示例,请参见图4。

为了从较低的速度、较高的力水平中受益,旋转或线性移动曲线可以包括以相对较低的基本速度从静止状态开始的初始启动,然后立即开始上升到所需的高速,然后在还需要减速斜坡时反转此技术。正如我们必须将重型机动车辆从死捊加速一样,步进电机和执行器通常可以通过使用斜坡来移动相对较大的负载。为了继续这个类比,它需要额外的功率(即传统车辆的发动机机械马力或电机的电力)才能加速,然后,根据负载的类型,可能需要更少的功率来保持恒定速度的运动。图 5 是斜坡运动可能带来的性能优势的示例。

 

线性执行器性能
图5.线性执行器性能,带或不带斜坡

  • 相电流“升压”功能。一些斩波器驱动器提供在任何加速和/或减速斜坡的部分或全部期间设置升压相电流(高于连续额定电流的大小)的选项。通常,升压电流水平的有效时间在斜坡期间是有限的,以防止电机绕组过热。加速斜坡期间的这种升压电流可以增加电机的内部扭矩,使电机从静止位置获得相对较大的负载。同样,减速斜坡期间的升压电流可以帮助阻止相对较大的移动负载。

 

结论
总之,在使用步进电机或基于步进的线性致动器设计运动控制设备或系统时,可能需要考虑许多因素。其中一个关键组件是步进驱动器,其选择最好由各种因素决定,例如类型,物理尺寸,电压和电流额定值,可用的步进模式,可控性和可编程性,斜坡和/或电流提升选项,以及成本和交付周期。

根据负载和占空比,步进电机或基于步进的致动器的性能显著提高或能效的提高通常可以通过正确选择驱动类型(以及驱动器的任何可选功能)和电源来实现。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-09-28 14:14
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