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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