電機控制設計：用于高性能運動(dòng)控制的微步進(jìn)

步進(jìn)電機是由直流電驅動(dòng)的無(wú)刷同步電動(dòng)機，該直流電以步驟旋轉，使轉子在特定電源下保持靜止。通過(guò)電子驅動(dòng)IC發(fā)送的明確定義的PWM脈沖序列將步進(jìn)電機向一個(gè)方向轉動(dòng)。

步進(jìn)電機具有一個(gè)特殊功能 - 能夠非常精確地將轉子軸旋轉幾度，而無(wú)需傳感器來(lái)檢測其角度位置?？傊?，電機的完全轉動(dòng)可以分為一定數量的步數。步進(jìn)電機的寬度決定了步數。

在步進(jìn)電機內部，定子上有幾個(gè)繞組/線(xiàn)圈，它們像電磁鐵一樣工作。定子將磁場(chǎng)轉換為電流。制造商聲明的步數對應于彼此電連接的線(xiàn)圈組（稱(chēng)為相）的數量。在每組中，有幾對并聯(lián)的線(xiàn)圈。每個(gè)線(xiàn)圈對都圍繞定子進(jìn)行布置和電氣連接。每個(gè)相位按順序激活，以允許電機一步一步地旋轉。

步進(jìn)電機通過(guò)與從微控制器輸出到電機驅動(dòng)IC的脈沖信號同步，以精確的定位和速度控制運行。電機驅動(dòng)IC通過(guò)向輸出端的步進(jìn)電機提供功率脈沖來(lái)對微控制器的信號做出反應。

步進(jìn)電機由電脈沖操作，這些電脈沖按順序饋送定子的一部分。定子被激勵的順序決定了旋轉的方向。通過(guò)微步進(jìn)技術(shù)，可以獲得更流暢線(xiàn)性的運動(dòng)和更好的定位。有不同的微步進(jìn)模式，長(cháng)度從1⁄3全步到1⁄32全步。

步進(jìn)電機

驅動(dòng)IC步進(jìn)電機形成增量運動(dòng)驅動(dòng)。隨著(zhù)每個(gè)命令脈沖到達系統，電機完成有限的旋轉。旋轉是通過(guò)以給定的順序和給定的電流方向為相位供電來(lái)實(shí)現的（圖1和2）。

圖1：步進(jìn)電機和主要部件的電氣圖

圖2：雙極和單極電機的通用布局

有不同的步進(jìn)電機配置，甚至更多的驅動(dòng)方式。最常見(jiàn)的定子配置是兩個(gè)線(xiàn)圈。它們圍繞定子的周長(cháng)排列，使得當用方波信號驅動(dòng)時(shí)，電機轉動(dòng)。要使電機朝相反方向轉動(dòng)，只需反轉信號的相位A和B之間的比率即可。

步進(jìn)電機的主要應用是機器人、辦公自動(dòng)化（OA）設備和醫療/護理設備，它們需要具有卓越精密電機控制和更好的抗環(huán)境影響能力的電機。旋轉變壓器和編碼器等電機控制解決方案用于優(yōu)化運動(dòng)并保證電機的正確位置。

帶旋轉變壓器的步進(jìn)電機即使在炎熱、灰塵或振動(dòng)的惡劣環(huán)境中也能實(shí)現高精度電機控制，并最大限度地提高可用扭矩。旋轉變壓器是一種電感式位移傳感器 - 一種用于測量角位移的機電設備。該器件檢測電磁閥中磁感應通量的變化。

圖3：帶旋轉變壓器的步進(jìn)電機

步進(jìn)電機的單極與雙極驅動(dòng)

步進(jìn)電機可配置為單極或雙極驅動(dòng);每種方法都有不同的性能屬性和權衡。

盡管步進(jìn)電機在精確定位方面具有實(shí)用性和適用性，特別是在來(lái)回運動(dòng)應用中，但推遲其廣泛采用的因素之一是提供所需駕駛員管理的挑戰。然而，嵌入了高水平功能的IC的引入改變了這一點(diǎn)。許多供應商提供具有不同級別特性和功能的步進(jìn)電機驅動(dòng)IC。

步進(jìn)驅動(dòng)IC的作用是充當系統微控制器（MCU）或處理器之間的接口，后者發(fā)出與運動(dòng)相關(guān)的指令。然后，它通過(guò)直接管理電機的電流和電壓（圖4）或驅動(dòng)外部 MOSFET 來(lái)實(shí)現這些功能。

圖4：步進(jìn)電機驅動(dòng)IC是MCU和電機本身之間的中介;更高功率的電機通常需要由驅動(dòng)IC控制的分立式外部MOSFET，以實(shí)現所需的電流切換。

基本驅動(dòng)IC具有一系列額定值組合，如通用單IC驅動(dòng)器，可使用片上MOSFET為電機線(xiàn)圈提供高達1或 2A的電流。對于需要更多電流或電壓的步進(jìn)電機，使用不同的步進(jìn)驅動(dòng)IC，該驅動(dòng)IC用作MOSFET驅動(dòng)IC，不直接連接到電機。設計人員添加了合適的外部MOSFET，其額定值與電機和項目要求相匹配。一些供應商提供具有一系列電壓和電流驅動(dòng)能力的廣泛系列，以及一些步進(jìn)電機控制器，其額定溫度范圍更寬或適用于汽車(chē)應用

圖5：一些供應商提供涵蓋一系列電壓、電流和認證級別的大量步進(jìn)控制器產(chǎn)品

這些驅動(dòng)IC之間的差異不僅在于其電壓和電流驅動(dòng)額定值或堅固性要求。這也是功能集和功能的問(wèn)題。一些應用需要基本控制，而另一些應用則需要更高的復雜性和潛力，以用作更復雜的閉環(huán)系統的一部分。

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