步進(jìn)電機驅動(dòng)器：幫助確定正確選擇的因素

步進(jìn)電機和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器通常用于開(kāi)環(huán)運動(dòng)控制設備和設備。這些產(chǎn)品和系統種類(lèi)繁多，如實(shí)驗室設備、醫療設備、視覺(jué)系統、分析設備、辦公產(chǎn)品、航空航天、通信系統、半導體設備和輕工業(yè)設備。

步進(jìn)驅動(dòng)器的兩種基本類(lèi)型

步進(jìn)電機和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器的兩種主要驅動(dòng)IC類(lèi)型是L/R驅動(dòng)器和斬波器驅動(dòng)器。選擇驅動(dòng)器類(lèi)型的一些標準包括：

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

L/R 驅動(dòng)器

將L/R驅動(dòng)IC視為“恒壓”驅動(dòng)IC。對于在室溫環(huán)境中連續工作電機，您基本上將L/R驅動(dòng)IC的可用電源電壓與電機的額定線(xiàn)圈電壓相匹配。關(guān)于名稱(chēng)L/R驅動(dòng)IC，L是電感的電氣符號，R是電阻的電氣符號。由于步進(jìn)電機轉矩與安培匝數成正比，因此通過(guò)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(shí)，通過(guò)繞組的最大“保持電流”電流受到線(xiàn)圈電阻的限制。隨著(zhù)步進(jìn)速率（電機速度）的增加，線(xiàn)圈電感與反電動(dòng)勢一起成為主要的限流系數（限制線(xiàn)圈電流的變化率）。反電動(dòng)勢是與電機繞組在旋轉過(guò)程中產(chǎn)生的速度成比例的產(chǎn)生電壓，其工作電壓與源電壓相反，因為每個(gè)電機也是一個(gè)發(fā)電機。

與使用斬波器驅動(dòng)器相比，使用L / R驅動(dòng)器運行的電機的性能范圍相對有限。L/R驅動(dòng)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(dòng)器，它可以是許多倍數，例如2：1，4：1，8：1或更高（見(jiàn)圖3）。

圖1.Can堆疊線(xiàn)性步進(jìn)電機，用于各種醫療應用，包括電動(dòng)手持式移液器

選擇L/R驅動(dòng)器而不是斬波驅動(dòng)器的一些原因可能是驅動(dòng)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(jìn)式線(xiàn)性致動(dòng)器的L/ R驅動(dòng)器和基于小型步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器的產(chǎn)品的一個(gè)很好的例子是手持式電動(dòng)移液器，如圖1所示。

通常，步進(jìn)電機和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器制造商發(fā)布的L/R驅動(dòng)器性能曲線(xiàn)是使用電機引線(xiàn)處的全額定電機電壓以每秒零步進(jìn)的速度開(kāi)發(fā)的。如果驅動(dòng)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(dòng)器中的總電壓損耗。

斬波器驅動(dòng)器

圖2.PC可編程的創(chuàng )意驅動(dòng)器

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

如果應用在中等溫度環(huán)境中具有相當短的占空比（即相對于OFF或較低電流零運動(dòng)保持時(shí)間的全通電或運行時(shí)間），則可以使用更高的運行電流幅度來(lái)提高電機的運動(dòng)性能;但是，在使用這種高于額定值的運行電流時(shí)必須小心。電流水平和導通時(shí)間與保持或關(guān)閉時(shí)間的關(guān)系，以及環(huán)境溫度和任何電機冷卻方法（傳導、對流等）將決定內部線(xiàn)圈溫度。如果需要非常高的相電流，建議咨詢(xún)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(dòng)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(huì )提高其價(jià)格（與L/R驅動(dòng)IC相比），但它可以幫助在整個(gè)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(dòng)器的電源電壓通常遠高于電機的額定電壓。如L/R驅動(dòng)部分所述，斬波器驅動(dòng)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(jiàn)圖3）。

相對低壓步進(jìn)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(xiàn)圈電壓。為了在較寬的速度范圍內實(shí)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(dòng)運行的低壓電機。低壓電機的相對低電感和較低的反電動(dòng)勢特性與高源電壓斬波器驅動(dòng)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(dòng)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(dòng)器制造商將其產(chǎn)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(yíng)銷(xiāo)策略。步進(jìn)電機和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)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(jìn)驅動(dòng)器可以有其他配置和功能：

• 雙極驅動(dòng)IC。用于操作4引腳或8引腳雙極步進(jìn)電機和基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器。
• 單極驅動(dòng)IC。用于操作6或8引腳單極步進(jìn)器和執行器（通常為L(cháng)/R型驅動(dòng)IC）。
• 非可編程驅動(dòng)IC。需要來(lái)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）?？刂破鳛槊總€(gè)電機步進(jìn)向驅動(dòng)器輸出單個(gè)脈沖，并向驅動(dòng)器輸出一個(gè)脈沖流，以便電機“索引”精確的量。驅動(dòng)器的脈沖量決定了旋轉或線(xiàn)性運動(dòng)的數量，脈沖序列的頻率分別決定了步進(jìn)電機或線(xiàn)性致動(dòng)器的旋轉或線(xiàn)性速度。
• 可編程驅動(dòng)器。這些驅動(dòng)器包含一個(gè)微處理器，除了立即執行電機命令外，還可以執行各種運動(dòng)控制程序。這些驅動(dòng)器可以在任何方向上以各種速度實(shí)時(shí)或在用戶(hù)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(dòng)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(xié)調的系統運動(dòng)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(jìn)模式下，驅動(dòng)器可以電子方式將步進(jìn)電機的每個(gè)全步分成兩半;例如，具有15°全步轉的步進(jìn)電機可以在半步進(jìn)模式下以7.5°步進(jìn)角運行。1.8°步進(jìn)電機可以以0.9°的半步增量運行，依此類(lèi)推。同樣，使用半步進(jìn)模式，基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器的線(xiàn)性分辨率可以分成兩半。
• 微步進(jìn)模式。微步進(jìn)驅動(dòng)器可以電子方式將步進(jìn)電機或致動(dòng)器的每個(gè)完整步進(jìn)劃分為比半步進(jìn)更精細的離散步進(jìn)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(jìn)電機的四個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是提高旋轉或線(xiàn)性分辨率，更平穩的運行，減少可聽(tīng)見(jiàn)的動(dòng)態(tài)噪聲以及減少動(dòng)態(tài)共振。這些優(yōu)勢的權衡是電機步進(jìn)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(xué)。為了關(guān)閉基于步進(jìn)系統的回路，集成的電機安裝或負載連接的旋轉或線(xiàn)性編碼器基本上可以“告訴”這種類(lèi)型的驅動(dòng)器，電機是否成功達到命令步進(jìn)速率和/或已經(jīng)實(shí)現了每次移動(dòng)的真實(shí)命令位置。如上所述，編碼器還可以恢復使用精細微步進(jìn)模式時(shí)電機步進(jìn)精度的顯著(zhù)損失。

圖4.非斜坡性能曲線(xiàn)，適用于具有100%占空比斬波器驅動(dòng)的17號雙極混合式線(xiàn)性步進(jìn)電機

• 加速/減速 斜坡。為了幫助獲得相對更大的負載移動(dòng)和/或實(shí)現更高的電機步進(jìn)率（可能不必更改為物理上更大的電機），通?？梢酝ㄟ^(guò)許多步進(jìn)驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現加速/減速斜坡的使用。如典型的已發(fā)布（非斜坡）速度與扭矩的關(guān)系曲線(xiàn)，或步進(jìn)電機或基于步進(jìn)的執行器的速度與力的性能曲線(xiàn)所示，電機速度越慢，輸出扭矩或輸出力就越高。有關(guān)線(xiàn)性致動(dòng)器非斜坡性能曲線(xiàn)的示例，請參見(jiàn)圖4。

為了從較低的速度、較高的力水平中受益，旋轉或線(xiàn)性移動(dòng)曲線(xiàn)可以包括以相對較低的基本速度從靜止狀態(tài)開(kāi)始的初始啟動(dòng)，然后立即開(kāi)始上升到所需的高速，然后在還需要減速斜坡時(shí)反轉此技術(shù)。正如我們必須將重型機動(dòng)車(chē)輛從死捊加速一樣，步進(jìn)電機和執行器通?？梢酝ㄟ^(guò)使用斜坡來(lái)移動(dòng)相對較大的負載。為了繼續這個(gè)類(lèi)比，它需要額外的功率（即傳統車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機機械馬力或電機的電力）才能加速，然后，根據負載的類(lèi)型，可能需要更少的功率來(lái)保持恒定速度的運動(dòng)。圖 5 是斜坡運動(dòng)可能帶來(lái)的性能優(yōu)勢的示例。

圖5.線(xiàn)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(dòng)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?。┑倪x項。通常，升壓電流水平的有效時(shí)間在斜坡期間是有限的，以防止電機繞組過(guò)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(dòng)負載。

結論
總之，在使用步進(jìn)電機或基于步進(jìn)的線(xiàn)性致動(dòng)器設計運動(dòng)控制設備或系統時(shí)，可能需要考慮許多因素。其中一個(gè)關(guān)鍵組件是步進(jìn)驅動(dòng)器，其選擇最好由各種因素決定，例如類(lèi)型，物理尺寸，電壓和電流額定值，可用的步進(jìn)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(jìn)電機或基于步進(jìn)的致動(dòng)器的性能顯著(zhù)提高或能效的提高通?？梢酝ㄟ^(guò)正確選擇驅動(dòng)類(lèi)型（以及驅動(dòng)器的任何可選功能）和電源來(lái)實(shí)現。

                                                                                                                                                        侵權必刪

                                                                                                                           Please let us know if there is any infringement