步進電機驅動器：幫助確定正確選擇的因素

步進電機和基于步進的線性致動器通常用于開環運動控制設備和設備。這些產品和系統種類繁多，如實驗室設備、醫療設備、視覺系統、分析設備、辦公產品、航空航天、通信系統、半導體設備和輕工業設備。

步進驅動器的兩種基本類型

步進電機和基于步進的線性致動器的兩種主要驅動IC類型是L/R驅動器和斬波器驅動器。選擇驅動器類型的一些標準包括：

• 驅動IC的成本
• 驅動器的物理大小和配置
• 可用電源
• 驅動器的額定輸出電流
• 運動占空比
• 電機上的總負載
• 電機所需轉速范圍

L/R 驅動器

將L/R驅動IC視為“恒壓”驅動IC。對于在室溫環境中連續工作電機，您基本上將L/R驅動IC的可用電源電壓與電機的額定線圈電壓相匹配。關于名稱L/R驅動IC，L是電感的電氣符號，R是電阻的電氣符號。由于步進電機轉矩與安培匝數成正比，因此通過電機繞組的電流決定了任何速度（包括零）下的輸出性能。

在靜止時，通過繞組的最大“保持電流”電流受到線圈電阻的限制。隨著步進速率（電機速度）的增加，線圈電感與反電動勢一起成為主要的限流系數（限制線圈電流的變化率）。反電動勢是與電機繞組在旋轉過程中產生的速度成比例的產生電壓，其工作電壓與源電壓相反，因為每個電機也是一個發電機。

與使用斬波器驅動器相比，使用L / R驅動器運行的電機的性能范圍相對有限。L/R驅動IC的源電壓與電機電壓之比基本上是1：1，而對于斬波器驅動器，它可以是許多倍數，例如2：1，4：1，8：1或更高（見圖3）。

圖1.Can堆疊線性步進電機，用于各種醫療應用，包括電動手持式移液器

選擇L/R驅動器而不是斬波驅動器的一些原因可能是驅動器成本較低，物理尺寸較小，電機速度范圍相對較慢，使用單極電機或使用電池電源的限制。使用帶有小型步進式線性致動器的L/ R驅動器和基于小型步進的線性致動器的產品的一個很好的例子是手持式電動移液器，如圖1所示。

通常，步進電機和基于步進的線性致動器制造商發布的L/R驅動器性能曲線是使用電機引線處的全額定電機電壓以每秒零步進的速度開發的。如果驅動電路中存在任何電壓降，則直流電源電壓將設置得略高，以補償驅動器中的總電壓損耗。

斬波器驅動器

圖2.PC可編程的創意驅動器

將此類型視為“恒流”驅動IC。對于室溫環境中的連續負載電機操作，您可以將斬波器驅動器的輸出 RMS（均方根）電流設置為電機的額定 RMS線圈電流。關于斬波器驅動器的名稱，這種在整個可用速度范圍內保持適當的電機相電流水平的技術是通過成比例的占空比快速打開和關閉（即斬波）相對較高的源電壓，同時電路監控電機繞組中的電流水平。斬波器驅動器可以是獨立的單元，也可以與電機集成。有關緊湊型獨立斬波器驅動器的示例，請參見圖2。

如果應用在中等溫度環境中具有相當短的占空比（即相對于OFF或較低電流零運動保持時間的全通電或運行時間），則可以使用更高的運行電流幅度來提高電機的運動性能;但是，在使用這種高于額定值的運行電流時必須小心。電流水平和導通時間與保持或關閉時間的關系，以及環境溫度和任何電機冷卻方法（傳導、對流等）將決定內部線圈溫度。如果需要非常高的相電流，建議咨詢電機制造商。

圖3.源電壓比對電機性能的相對影響

斬波器驅動器中的附加電路可感測相電流的大小并控制電壓斬波，可能會提高其價格（與L/R驅動IC相比），但它可以幫助在整個相對較寬的速度范圍內保持高水平的電機扭矩或力。斬波器驅動器的電源電壓通常遠高于電機的額定電壓。如L/R驅動部分所述，斬波器驅動的源電壓與電機電壓比通常明顯高于1：1，通常為8：1甚至更高;因此，相對性能范圍可以大大提高（見圖3）。

相對低壓步進電機和執行器的電感明顯小于其機械等效電機的較高額定線圈電壓。為了在較寬的速度范圍內實現非常好的電機性能，請選擇在相對較高的源電壓下使用斬波器驅動運行的低壓電機。低壓電機的相對低電感和較低的反電動勢特性與高源電壓斬波器驅動相結合，可以提供出色的性能結果。這些低壓電機配置的主要要求是驅動器必須能夠提供更高水平的相電流。

作為警告，一些斬波驅動器制造商將其產品的輸出相電流水平宣傳為峰值;使用較大的值通常是一種營銷策略。步進電機和基于步進的線性致動器的連續占空載相電流通常額定值為RMS值（RMS = 峰值×0.707）

配置和功能

步進驅動器可以有其他配置和功能：

• 雙極驅動IC。用于操作4引腳或8引腳雙極步進電機和基于步進的線性致動器。
• 單極驅動IC。用于操作6或8引腳單極步進器和執行器（通常為L/R型驅動IC）。
• 非可編程驅動IC。需要來自控制器的數字“脈沖”和“方向”輸入（有些包括“輸出使能”數字輸入）。控制器為每個電機步進向驅動器輸出單個脈沖，并向驅動器輸出一個脈沖流，以便電機“索引”精確的量。驅動器的脈沖量決定了旋轉或線性運動的數量，脈沖序列的頻率分別決定了步進電機或線性致動器的旋轉或線性速度。
• 可編程驅動器。這些驅動器包含一個微處理器，除了立即執行電機命令外，還可以執行各種運動控制程序。這些驅動器可以在任何方向上以各種速度實時或在用戶指定的程序控制下具有幾乎任何數量的電機索引。大多數可編程驅動器具有一些通用（GP）數字輸入/輸出（I / O），用于與其他設備通信或控制（從而提供協調的系統運動控制），并且還具有一些基于GP輸入，相對電機位置和/或編碼器反饋數據的條件功能。
• 半步模式以及標準全步模式。在半步進模式下，驅動器可以電子方式將步進電機的每個全步分成兩半;例如，具有15°全步轉的步進電機可以在半步進模式下以7.5°步進角運行。1.8°步進電機可以以0.9°的半步增量運行，依此類推。同樣，使用半步進模式，基于步進的線性致動器的線性分辨率可以分成兩半。
• 微步進模式。微步進驅動器可以電子方式將步進電機或致動器的每個完整步進劃分為比半步進更精細的離散步進角。典型的除法系數有1/4、1/8、1/16、1/32等，和/或1/5、1/10、1/25、1/50等。微步進電機的四個主要優點是提高旋轉或線性分辨率，更平穩的運行，減少可聽見的動態噪聲以及減少動態共振。這些優勢的權衡是電機步進精度和可重復性降低，特別是在負載條件下。
• 編碼器輸入。有許多應用可能需要速度驗證和/或位置驗證方法，例如某些醫療設備，氣體或液體流量調節，通信設備或微電子學。為了關閉基于步進系統的回路，集成的電機安裝或負載連接的旋轉或線性編碼器基本上可以“告訴”這種類型的驅動器，電機是否成功達到命令步進速率和/或已經實現了每次移動的真實命令位置。如上所述，編碼器還可以恢復使用精細微步進模式時電機步進精度的顯著損失。

圖4.非斜坡性能曲線，適用于具有100%占空比斬波器驅動的17號雙極混合式線性步進電機

• 加速/減速 斜坡。為了幫助獲得相對更大的負載移動和/或實現更高的電機步進率（可能不必更改為物理上更大的電機），通常可以通過許多步進驅動器來實現加速/減速斜坡的使用。如典型的已發布（非斜坡）速度與扭矩的關系曲線，或步進電機或基于步進的執行器的速度與力的性能曲線所示，電機速度越慢，輸出扭矩或輸出力就越高。有關線性致動器非斜坡性能曲線的示例，請參見圖4。

為了從較低的速度、較高的力水平中受益，旋轉或線性移動曲線可以包括以相對較低的基本速度從靜止狀態開始的初始啟動，然后立即開始上升到所需的高速，然后在還需要減速斜坡時反轉此技術。正如我們必須將重型機動車輛從死捊加速一樣，步進電機和執行器通常可以通過使用斜坡來移動相對較大的負載。為了繼續這個類比，它需要額外的功率（即傳統車輛的發動機機械馬力或電機的電力）才能加速，然后，根據負載的類型，可能需要更少的功率來保持恒定速度的運動。圖 5 是斜坡運動可能帶來的性能優勢的示例。

圖5.線性執行器性能，帶或不帶斜坡

• 相電流“升壓”功能。一些斬波器驅動器提供在任何加速和/或減速斜坡的部分或全部期間設置升壓相電流（高于連續額定電流的大小）的選項。通常，升壓電流水平的有效時間在斜坡期間是有限的，以防止電機繞組過熱。加速斜坡期間的這種升壓電流可以增加電機的內部扭矩，使電機從靜止位置獲得相對較大的負載。同樣，減速斜坡期間的升壓電流可以幫助阻止相對較大的移動負載。

結論
總之，在使用步進電機或基于步進的線性致動器設計運動控制設備或系統時，可能需要考慮許多因素。其中一個關鍵組件是步進驅動器，其選擇最好由各種因素決定，例如類型，物理尺寸，電壓和電流額定值，可用的步進模式，可控性和可編程性，斜坡和/或電流提升選項，以及成本和交付周期。

根據負載和占空比，步進電機或基于步進的致動器的性能顯著提高或能效的提高通常可以通過正確選擇驅動類型（以及驅動器的任何可選功能）和電源來實現。

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