如何選擇步進(jìn)電機驅動(dòng)IC以及電機算法
當我在光學(xué)實(shí)驗室工作的日子里,我們通常會(huì )使用步進(jìn)電機來(lái)驅動(dòng)靈敏的平移和測角儀載物臺,以收集空間和光譜分辨的測量結果。我們始終將步進(jìn)電機用于這些應用,這要歸功于它們的低滯后和精細的分辨率。這些步進(jìn)電機中的任何一個(gè)都需要驅動(dòng)IC在所需方向上移動(dòng)載物臺。
無(wú)論您是在設計靈敏的測量設備,還是需要為下一個(gè)機電系統精確控制速度和位置,您都需要為您的步進(jìn)電機選擇合適的驅動(dòng)IC。如果您知道要在元件數據表中檢查哪些規格,則將步進(jìn)電機驅動(dòng)IC與雙極或單極電機相匹配很容易。
步進(jìn)電機和驅動(dòng)IC的類(lèi)型
常見(jiàn)的步進(jìn)電機可分為單極和雙極器件,主要是指每個(gè)定子中線(xiàn)圈繞組的配置。在最基本的層面上,這些電機以相同的方式工作;電磁鐵以連續方式打開(kāi),將軸旋轉到所需位置。這些電機非常適合需要精確位置控制的應用。如果需要高速,則不應使用它們。這些步進(jìn)電機包括可變磁阻電機、混合同步電機和永磁電機。
與雙極電機相比,單極電機相對簡(jiǎn)單。單極電機每相使用一個(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/電流下運行的雙極電機。兩相單極步進(jìn)電機通常需要5至8根引線(xiàn)才能連接到驅動(dòng)IC,具體取決于抽頭如何集成到定子繞組中。雙極電機在驅動(dòng)IC通過(guò)兩個(gè)繞組施加特定模式的正向和反向電流時(shí)旋轉,因此稱(chēng)為“雙極性”。這些電機需要一個(gè)H 橋每相位駕駛。
典型的電機有兩相,以減少引線(xiàn)數量。轉子可以沿轉子軸有堆疊的南北極(所謂罐體結構)或沿軸軸線(xiàn)的細齒;軸上這些區域之間的角度分離決定了步進(jìn)電機的角度分辨率。
匹配步進(jìn)電機和驅動(dòng)IC
驅動(dòng)IC規格中與給定步進(jìn)電機匹配的最重要參數是:
恒流與恒壓驅動(dòng)。繞組的電感和直流電阻會(huì )導致步進(jìn)電機表現出瞬態(tài)響應。然后,這將影響電機達到全扭矩的速率。恒流驅動(dòng)IC提供強大的電流突發(fā),與恒壓驅動(dòng)IC相比,這有助于電機在更短的時(shí)間內達到全扭矩。恒流驅動(dòng)IC通常包括一個(gè)斬波器電路,一旦超過(guò)規定的限值,該電路就會(huì )降低繞組中的電流。
微步。一些驅動(dòng)IC包括一個(gè)內部插值電路,該電路以一個(gè)步進(jìn)的分數提供步進(jìn)。分辨率可以降低標準步長(cháng)1/2到1/16的任意系數。
相數。步進(jìn)電機驅動(dòng)IC設計用于驅動(dòng)特定數量的相位。典型的單極和雙極步進(jìn)電機使用兩相,盡管可變磁阻電機使用三相。
如果您打算連續驅動(dòng)電機,請注意步進(jìn)電機和驅動(dòng)IC的諧振頻率。如果驅動(dòng)脈沖的頻率與電機的諧振頻率相匹配,則電機外殼內可能會(huì )發(fā)生強烈的振動(dòng)。這可能導致轉子軸與定子繞組不同步,有效地導致電機失速。
無(wú)刷直流電機控制算法
無(wú)刷電機不是自換向的,因此控制起來(lái)更復雜。
BLDC電機控制需要了解轉子位置和機構,以使電機換向。對于閉環(huán)速度控制,還有兩個(gè)額外的要求,測量電機速度和/或電機電流以及PWM信號以控制電機速度和功率。
BLDC 電機可根據應用要求使用邊緣對齊或居中對齊 PWM 信號。大多數只需要變速操作的應用將使用六個(gè)獨立的邊沿對齊PWM信號。這提供了最高的分辨率。如果應用需要伺服定位、動(dòng)態(tài)制動(dòng)或動(dòng)態(tài)反轉,建議使用互補的中心對準PWM信號。
要感測轉子位置,BLDC 電機使用霍爾效應傳感器提供絕對位置感測。這導致更多的電線(xiàn)和更高的成本。無(wú)傳感器 BLDC 控制消除了對霍爾效應傳感器的需求,而是使用電機的反電動(dòng)勢(電動(dòng)勢)來(lái)估計轉子位置。無(wú)傳感器控制對于風(fēng)扇和泵等低成本變速應用至關(guān)重要。使用 BLDC 電機時(shí),冰箱和空調壓縮機也需要無(wú)傳感器控制。
許多不同的控制算法已被用于提供BLDC電機的控制。通常,電機電壓使用作為線(xiàn)性穩壓器工作的功率晶體管進(jìn)行控制。在驅動(dòng)更高功率的電機時(shí),這是不切實(shí)際的。大功率電機必須使用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電壓控制電機轉速
- 電機換向機構
- 使用反電動(dòng)勢或霍爾傳感器估算轉子位置的方法
脈寬調制用于對電機繞組施加可變電壓。有效電壓與PWM占空比成正比。正確換向時(shí),BLDC電機的轉矩-速度特性與直流電機相同??勺冸妷嚎捎糜诳刂齐姍C的速度和可用扭矩。
功率晶體管的換向為定子中的適當繞組通電,以根據轉子位置提供最佳的扭矩產(chǎn)生。在無(wú)刷直流電機中,MCU必須知道轉子的位置并在適當的時(shí)間換向。
無(wú)刷直流電機梯形換向
直流無(wú)刷電機最簡(jiǎn)單的控制方法之一是使用所謂的梯形換向。
圖1:BLDC電機梯形控制器的簡(jiǎn)化框圖
在該方案中,電流通過(guò)電機端子一次控制一對,第三個(gè)電機端子始終與電源電氣斷開(kāi)。
嵌入在電機中的三個(gè)霍爾器件通常用于提供數字信號,以測量60度扇區內的轉子位置,并將此信息提供給電機控制器。因為在任何時(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。當電機轉動(dòng)時(shí),電機端子的電流每旋轉60度進(jìn)行一次電開(kāi)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。
圖 2:梯形控制:換向時(shí)的驅動(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,再到負電流的階梯。
這會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電流空間矢量,當轉子轉動(dòng)時(shí),當它在六個(gè)不同的方向之間移動(dòng)時(shí),該矢量近似于平滑旋轉。
在空調和冰箱等電機應用中,使用霍爾效應傳感器不是一個(gè)可行的選擇。在未連接的繞組中檢測反電動(dòng)勢的反向電動(dòng)勢傳感器可用于實(shí)現相同的結果
梯形電流驅動(dòng)系統因其控制電路的簡(jiǎn)單性而廣受歡迎,但在換向過(guò)程中會(huì )出現轉矩紋波問(wèn)題。
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