步進馬達的電壓與電流模式控制之對比

步進馬達的電壓與電流模式控制之對比

步進馬達的電壓與電流模式控制之對比

馬達的扭距取決于通過馬達線圈的電流。因此,控制扭距常見而符合邏輯的方式便是直接對其進行監測,從而實現電流調節。這種方法稱為電流模式控制。還存在另一種驅動馬達的方法,叫做電壓模式控制。

在這種情況下,不用監測電流,但是為了達到所期望的目標電流,必須對應用于馬達上的電壓進行計算。本文將介紹這兩種方法的優點和缺點。此款 powerSTEP01 步進馬達驅動器產自 STMicroelectronics 公司,是市場上唯一可以使用這兩種方法編程的驅動器。


在馬達設計中,馬達的電氣規格可以表示為電感,電阻和反電動勢,如圖 1 所示。雙向步進馬達有一個雙路 H 橋,每路 H 橋有 90 度相位差,應用相同的信號。因此,我們只專注于一路 H 橋即可。

雙向步進馬達有一個雙路 H 橋

圖 1

在電流模式控制下,電流監測依靠在 H 在橋底部的分流電阻(見圖 2)來完成,分流電阻的電壓連接到 ADC。

H 在橋底部的分流電阻

圖 2

基于此電壓,可以觸發各種動作,如圖 3 所示。如果該電壓超過給定閾值,則必須進行衰減。如果需要緩慢降低該電流,則要通過讓橋的低邊(或高邊)上的電流再循環來實現緩慢衰減。通過在線圈上施加負電壓,快速衰減會迅速下降。經過一段時間后,需要增加電流,并對馬達施加正電壓。電流會圍繞著目標值波動,直到程序編入一個新的數值。

步進馬達的電壓與電流模式

圖 3

然后,必須使用電流模式控制來解決下面的問題:

——要求在同一個周期中,進行慢速和快速衰減編程設計。

—— 衰減時序的算法。由于反電動勢 (BEMF)隨著速度而變化,因此衰減時間必須改變。此外,在細分控制過程中,步進值是不同的,每一個細分驅動都需要一個不同的時序。即使有一個優化的時序,由于電流的嘈雜,也會阻止準確定位。

—— 隨著時序的改變,頻率會改變并可能在音頻噪聲中下降。在許多應用中,這(當然)不可接受。

—— 要求使用分流電阻。在高電流情況下,并聯電阻會很大并很昂貴。

電壓模式控制可以解決這些問題。正如前面所見,馬達可表示為電感和電阻的固定值和取決于電機速度的反電動勢。根據馬達的速度,該系統表現為電阻電路(在低速下)或表現為感應電路(在高速下)。如果目標電流設為 Iph_target,則應用電壓將由下列公式計算:

電壓計算公式

Ke 為馬達的電常數,單位是 V/Hz;fel 為電頻率,單位是 Hz。

在該模式下,電壓是由一個固定頻率 PWM 來施加(對于大多數系統,20 kHz 的頻率是可行的,所以該頻率總是高于音頻頻率)。其結果是,沒有混合衰減要處理,系統運行更流暢,定位更精確,允許失速檢測并在低速下可以更好地進行轉矩控制。不幸的是,任何步進馬達在不同轉速下都有共振,當系統阻尼器不足夠強時,電壓模式控制便顯示出弱點。事實上,由于沒有監測電流,發生振動時,反電動勢 (BEMF) 便不再可預測了。由于設計原因,該電壓的頻率和電壓值不能適應,電流相位會跟隨反電動勢 (BEMF) 進行不穩定晃動,導致扭矩失控并有可能最終陷入停頓。

圖 4 顯示了這兩種模式驅動的差別。H 橋的電壓輸出是藍色和綠色,馬達中的電流為棕色。在電流模式控制下,當藍色和綠色互鎖,會發生慢速和快速衰減的混合情況,這有別于只使用緩慢衰減來調整電流的電壓模式。

兩種模式驅動的差別

圖 4

總而言之,根據需求,電壓或電流模式控制已經足夠了。在低速時,電壓模式控制更有利,而在高速時,或者如果馬達必須經過共振階段,電流模式是更適合。STMicroelectronics 公司的 powerSTEP01 步進馬達驅動器,是市場上唯一可以使用這兩種模式進行編程的驅動器。

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