如何選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC以及電機(jī)算法

當(dāng)我在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作的日子里，我們通常會(huì)使用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)靈敏的平移和測(cè)角儀載物臺(tái)，以收集空間和光譜分辨的測(cè)量結(jié)果。我們始終將步進(jìn)電機(jī)用于這些應(yīng)用，這要?dú)w功于它們的低滯后和精細(xì)的分辨率。這些步進(jìn)電機(jī)中的任何一個(gè)都需要驅(qū)動(dòng)IC在所需方向上移動(dòng)載物臺(tái)。

無論您是在設(shè)計(jì)靈敏的測(cè)量設(shè)備，還是需要為下一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)精確控制速度和位置，您都需要為您的步進(jìn)電機(jī)選擇合適的驅(qū)動(dòng)IC。如果您知道要在元件數(shù)據(jù)表中檢查哪些規(guī)格，則將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC與雙極或單極電機(jī)相匹配很容易。

步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)IC的類型

常見的步進(jìn)電機(jī)可分為單極和雙極器件，主要是指每個(gè)定子中線圈繞組的配置。在最基本的層面上，這些電機(jī)以相同的方式工作;電磁鐵以連續(xù)方式打開，將軸旋轉(zhuǎn)到所需位置。這些電機(jī)非常適合需要精確位置控制的應(yīng)用。如果需要高速，則不應(yīng)使用它們。這些步進(jìn)電機(jī)包括可變磁阻電機(jī)、混合同步電機(jī)和永磁電機(jī)。

與雙極電機(jī)相比，單極電機(jī)相對(duì)簡單。單極電機(jī)每相使用一個(gè)繞組，每個(gè)繞組包括一個(gè)公共抽頭。由于采用公共抽頭，在任何給定時(shí)間，只有一半的繞組承載電流，產(chǎn)生的扭矩低于在相同電壓/電流下運(yùn)行的雙極電機(jī)。兩相單極步進(jìn)電機(jī)通常需要5至8根引線才能連接到驅(qū)動(dòng)IC，具體取決于抽頭如何集成到定子繞組中。雙極電機(jī)在驅(qū)動(dòng)IC通過兩個(gè)繞組施加特定模式的正向和反向電流時(shí)旋轉(zhuǎn)，因此稱為“雙極性”。這些電機(jī)需要一個(gè)H 橋每相位駕駛。

典型的電機(jī)有兩相，以減少引線數(shù)量。轉(zhuǎn)子可以沿轉(zhuǎn)子軸有堆疊的南北極（所謂罐體結(jié)構(gòu)）或沿軸軸線的細(xì)齒;軸上這些區(qū)域之間的角度分離決定了步進(jìn)電機(jī)的角度分辨率。

匹配步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)IC

驅(qū)動(dòng)IC規(guī)格中與給定步進(jìn)電機(jī)匹配的最重要參數(shù)是：

恒流與恒壓驅(qū)動(dòng)。繞組的電感和直流電阻會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)表現(xiàn)出瞬態(tài)響應(yīng)。然后，這將影響電機(jī)達(dá)到全扭矩的速率。恒流驅(qū)動(dòng)IC提供強(qiáng)大的電流突發(fā)，與恒壓驅(qū)動(dòng)IC相比，這有助于電機(jī)在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到全扭矩。恒流驅(qū)動(dòng)IC通常包括一個(gè)斬波器電路，一旦超過規(guī)定的限值，該電路就會(huì)降低繞組中的電流。

微步。一些驅(qū)動(dòng)IC包括一個(gè)內(nèi)部插值電路，該電路以一個(gè)步進(jìn)的分?jǐn)?shù)提供步進(jìn)。分辨率可以降低標(biāo)準(zhǔn)步長1/2到1/16的任意系數(shù)。
相數(shù)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)特定數(shù)量的相位。典型的單極和雙極步進(jìn)電機(jī)使用兩相，盡管可變磁阻電機(jī)使用三相。
如果您打算連續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，請(qǐng)注意步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)IC的諧振頻率。如果驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率與電機(jī)的諧振頻率相匹配，則電機(jī)外殼內(nèi)可能會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。這可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸與定子繞組不同步，有效地導(dǎo)致電機(jī)失速。

無刷直流電機(jī)控制算法

無刷電機(jī)不是自換向的，因此控制起來更復(fù)雜。

BLDC電機(jī)控制需要了解轉(zhuǎn)子位置和機(jī)構(gòu)，以使電機(jī)換向。對(duì)于閉環(huán)速度控制，還有兩個(gè)額外的要求，測(cè)量電機(jī)速度和/或電機(jī)電流以及PWM信號(hào)以控制電機(jī)速度和功率。

BLDC 電機(jī)可根據(jù)應(yīng)用要求使用邊緣對(duì)齊或居中對(duì)齊 PWM 信號(hào)。大多數(shù)只需要變速操作的應(yīng)用將使用六個(gè)獨(dú)立的邊沿對(duì)齊PWM信號(hào)。這提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用需要伺服定位、動(dòng)態(tài)制動(dòng)或動(dòng)態(tài)反轉(zhuǎn)，建議使用互補(bǔ)的中心對(duì)準(zhǔn)PWM信號(hào)。

要感測(cè)轉(zhuǎn)子位置，BLDC 電機(jī)使用霍爾效應(yīng)傳感器提供絕對(duì)位置感測(cè)。這導(dǎo)致更多的電線和更高的成本。無傳感器 BLDC 控制消除了對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器的需求，而是使用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（電動(dòng)勢(shì)）來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。無傳感器控制對(duì)于風(fēng)扇和泵等低成本變速應(yīng)用至關(guān)重要。使用 BLDC 電機(jī)時(shí)，冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)也需要無傳感器控制。

許多不同的控制算法已被用于提供BLDC電機(jī)的控制。通常，電機(jī)電壓使用作為線性穩(wěn)壓器工作的功率晶體管進(jìn)行控制。在驅(qū)動(dòng)更高功率的電機(jī)時(shí)，這是不切實(shí)際的。大功率電機(jī)必須使用PWM控制，并要求微控制器提供啟動(dòng)和控制功能。

控制算法必須提供三件事：

• PWM電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速
• 電機(jī)換向機(jī)構(gòu)
• 使用反電動(dòng)勢(shì)或霍爾傳感器估算轉(zhuǎn)子位置的方法
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脈寬調(diào)制用于對(duì)電機(jī)繞組施加可變電壓。有效電壓與PWM占空比成正比。正確換向時(shí)，BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-速度特性與直流電機(jī)相同。可變電壓可用于控制電機(jī)的速度和可用扭矩。

功率晶體管的換向?yàn)槎ㄗ又械倪m當(dāng)繞組通電，以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置提供最佳的扭矩產(chǎn)生。在無刷直流電機(jī)中，MCU必須知道轉(zhuǎn)子的位置并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間換向。

無刷直流電機(jī)梯形換向

直流無刷電機(jī)最簡單的控制方法之一是使用所謂的梯形換向。

圖1：BLDC電機(jī)梯形控制器的簡化框圖

在該方案中，電流通過電機(jī)端子一次控制一對(duì)，第三個(gè)電機(jī)端子始終與電源電氣斷開。

嵌入在電機(jī)中的三個(gè)霍爾器件通常用于提供數(shù)字信號(hào)，以測(cè)量60度扇區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置，并將此信息提供給電機(jī)控制器。因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候，兩個(gè)繞組中的電流在大小上相等，第三個(gè)繞組中的電流為零，因此這種方法只能產(chǎn)生具有六個(gè)不同方向之一的電流空間矢量。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)端子的電流每旋轉(zhuǎn)60度進(jìn)行一次電開關(guān)（換向），以使電流空間矢量始終在正交方向的最近30度內(nèi)。

圖 2：梯形控制：換向時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形和扭矩

因此，每個(gè)繞組的電流波形是從零到正電流，再到零，再到負(fù)電流的階梯。

這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流空間矢量，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)它在六個(gè)不同的方向之間移動(dòng)時(shí)，該矢量近似于平滑旋轉(zhuǎn)。

在空調(diào)和冰箱等電機(jī)應(yīng)用中，使用霍爾效應(yīng)傳感器不是一個(gè)可行的選擇。在未連接的繞組中檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的反向電動(dòng)勢(shì)傳感器可用于實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果

梯形電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因其控制電路的簡單性而廣受歡迎，但在換向過程中會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩紋波問題。

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