資料介紹
雙極性步進電機的基礎知識
雙極性步進電機包含兩繞組,為了使電機運行平穩(wěn),不斷的給這兩個線圈加以相位差90度的正弦波,步進電機就開始轉動起來。
通常,步進電機不是由模擬線性放大器驅動;而是由PWM電流調節(jié)驅動,把線性的正弦波信號轉換成了離散的直線段信號。 正弦波可被分成多段,隨著段數(shù)的增加,波形不斷接近正弦波。 實際應用中,段數(shù)多從4到2048或更多,大多數(shù)步進驅動IC采用4到64段細分。整步驅動,每一時刻只有一個相通電,兩相電流交替和電流方向切換,使得一共產生四個步進電機機械狀態(tài)。半步驅動,比整步驅動方式相對復雜一些,在同一時刻,可能兩個相都需要被通電,如圖1所示,使電機的步進分辨率提高了一倍。細分驅動,電機轉子走一步的角度將會隨著細分數(shù)的增加而減小,電機轉動也越來越平穩(wěn),例如把一個32段細分序列稱為八分之一步驅動模式(見圖1)。
圖1:細分驅動的電流波形。
電流控制精度的重要性
雙極性步進電機轉子的位置取決于流經(jīng)兩個線圈繞組的電流的大小。通常,選擇步進電機的主要指標為,準確的機械定位或精準的機械系統(tǒng)速度控制。所以繞組電流的精度控制對步進電機的平穩(wěn)運行非常重要。
在機械系統(tǒng)中,有兩個問題會導致不準確的電流控制:
在低速運行或用步進電機用于定位控制的情況下,每一細分段電機運行的步數(shù)錯誤,導致錯誤的定位。
在高速運行下,系統(tǒng)非線性會導致短期電機運行速度變化,使得力矩不穩(wěn),增加了電機噪聲和振動。
PWM控制和電流衰減模式(Decay Mode)
大多數(shù)的步進電機驅動IC,依靠步進電機繞組的電感特性實現(xiàn)PWM電流調節(jié)。通過每個繞組對應的功率MOSFET組成的H橋電路,隨著PWM控制開始,電源電壓被加到電機繞組上,從而產生驅動電流。一旦電流達到設定值,H橋就會切換控制狀態(tài),使得輸出電流衰減。 一定固定時間后,一個新的PWM周期又會開始,H橋再次產生線圈電流。
重復這一過程,使繞組電流上升和下降。通過電流采樣和狀態(tài)控制,可以調節(jié)控制每一段細分的峰值電流值。
在預期的峰值電流達到后,H橋驅動繞組的電流衰減控制方式有兩種:
繞組短路(同時開通低側或高側的MOSFET),電流衰減慢;
H橋反向導通,或允許電流通過MOSFET的體二極管流通,電流衰減快。
雙極性步進電機包含兩繞組,為了使電機運行平穩(wěn),不斷的給這兩個線圈加以相位差90度的正弦波,步進電機就開始轉動起來。
通常,步進電機不是由模擬線性放大器驅動;而是由PWM電流調節(jié)驅動,把線性的正弦波信號轉換成了離散的直線段信號。 正弦波可被分成多段,隨著段數(shù)的增加,波形不斷接近正弦波。 實際應用中,段數(shù)多從4到2048或更多,大多數(shù)步進驅動IC采用4到64段細分。整步驅動,每一時刻只有一個相通電,兩相電流交替和電流方向切換,使得一共產生四個步進電機機械狀態(tài)。半步驅動,比整步驅動方式相對復雜一些,在同一時刻,可能兩個相都需要被通電,如圖1所示,使電機的步進分辨率提高了一倍。細分驅動,電機轉子走一步的角度將會隨著細分數(shù)的增加而減小,電機轉動也越來越平穩(wěn),例如把一個32段細分序列稱為八分之一步驅動模式(見圖1)。
圖1:細分驅動的電流波形。
電流控制精度的重要性
雙極性步進電機轉子的位置取決于流經(jīng)兩個線圈繞組的電流的大小。通常,選擇步進電機的主要指標為,準確的機械定位或精準的機械系統(tǒng)速度控制。所以繞組電流的精度控制對步進電機的平穩(wěn)運行非常重要。
在機械系統(tǒng)中,有兩個問題會導致不準確的電流控制:
在低速運行或用步進電機用于定位控制的情況下,每一細分段電機運行的步數(shù)錯誤,導致錯誤的定位。
在高速運行下,系統(tǒng)非線性會導致短期電機運行速度變化,使得力矩不穩(wěn),增加了電機噪聲和振動。
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大多數(shù)的步進電機驅動IC,依靠步進電機繞組的電感特性實現(xiàn)PWM電流調節(jié)。通過每個繞組對應的功率MOSFET組成的H橋電路,隨著PWM控制開始,電源電壓被加到電機繞組上,從而產生驅動電流。一旦電流達到設定值,H橋就會切換控制狀態(tài),使得輸出電流衰減。 一定固定時間后,一個新的PWM周期又會開始,H橋再次產生線圈電流。
重復這一過程,使繞組電流上升和下降。通過電流采樣和狀態(tài)控制,可以調節(jié)控制每一段細分的峰值電流值。
在預期的峰值電流達到后,H橋驅動繞組的電流衰減控制方式有兩種:
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