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如何选择步进电机驱动IC以及电机算法

 

当我在光学实验室工作的日子里,我们通常会使用步进电机来驱动灵敏的平移和测角仪载物台,以收集空间和光谱分辨的测量结果。我们始终将步进电机用于这些应用,这要归功于它们的低滞后和精细的分辨率。这些步进电机中的任何一个都需要驱动IC在所需方向上移动载物台。

无论您是在设计灵敏的测量设备,还是需要为下一个机电系统精确控制速度和位置,您都需要为您的步进电机选择合适的驱动IC。如果您知道要在元件数据表中检查哪些规格,则将步进电机驱动IC与双极或单极电机相匹配很容易。

 

步进电机和驱动IC的类型

常见的步进电机可分为单极和双极器件,主要是指每个定子中线圈绕组的配置。在最基本的层面上,这些电机以相同的方式工作;电磁铁以连续方式打开,将轴旋转到所需位置。这些电机非常适合需要精确位置控制的应用。如果需要高速,则不应使用它们。这些步进电机包括可变磁阻电机、混合同步电机和永磁电机。

 

与双极电机相比,单极电机相对简单。单极电机每相使用一个绕组,每个绕组包括一个公共抽头。由于采用公共抽头,在任何给定时间,只有一半的绕组承载电流,产生的扭矩低于在相同电压/电流下运行的双极电机。两相单极步进电机通常需要5至8根引线才能连接到驱动IC,具体取决于抽头如何集成到定子绕组中。双极电机在驱动IC通过两个绕组施加特定模式的正向和反向电流时旋转,因此称为“双极性”。这些电机需要一个H 桥每相位驾驶。

 

典型的电机有两相,以减少引线数量。转子可以沿转子轴有堆叠的南北极(所谓罐体结构)或沿轴轴线的细齿;轴上这些区域之间的角度分离决定了步进电机的角度分辨率。

 

匹配步进电机和驱动IC

驱动IC规格中与给定步进电机匹配的最重要参数是:

恒流与恒压驱动。绕组的电感和直流电阻会导致步进电机表现出瞬态响应。然后,这将影响电机达到全扭矩的速率。恒流驱动IC提供强大的电流突发,与恒压驱动IC相比,这有助于电机在更短的时间内达到全扭矩。恒流驱动IC通常包括一个斩波器电路,一旦超过规定的限值,该电路就会降低绕组中的电流。


微步。一些驱动IC包括一个内部插值电路,该电路以一个步进的分数提供步进。分辨率可以降低标准步长1/2到1/16的任意系数。
相数。步进电机驱动IC设计用于驱动特定数量的相位。典型的单极和双极步进电机使用两相,尽管可变磁阻电机使用三相。
如果您打算连续驱动电机,请注意步进电机和驱动IC的谐振频率。如果驱动脉冲的频率与电机的谐振频率相匹配,则电机外壳内可能会发生强烈的振动。这可能导致转子轴与定子绕组不同步,有效地导致电机失速。

 

步进电机和驱动器

 

无刷直流电机控制算法

无刷电机不是自换向的,因此控制起来更复杂。

BLDC电机控制需要了解转子位置和机构,以使电机换向。对于闭环速度控制,还有两个额外的要求,测量电机速度和/或电机电流以及PWM信号以控制电机速度和功率。

BLDC 电机可根据应用要求使用边缘对齐或居中对齐 PWM 信号。大多数只需要变速操作的应用将使用六个独立的边沿对齐PWM信号。这提供了最高的分辨率。如果应用需要伺服定位、动态制动或动态反转,建议使用互补的中心对准PWM信号。

要感测转子位置,BLDC 电机使用霍尔效应传感器提供绝对位置感测。这导致更多的电线和更高的成本。无传感器 BLDC 控制消除了对霍尔效应传感器的需求,而是使用电机的反电动势(电动势)来估计转子位置。无传感器控制对于风扇和泵等低成本变速应用至关重要。使用 BLDC 电机时,冰箱和空调压缩机也需要无传感器控制。

 

许多不同的控制算法已被用于提供BLDC电机的控制。通常,电机电压使用作为线性稳压器工作的功率晶体管进行控制。在驱动更高功率的电机时,这是不切实际的。大功率电机必须使用PWM控制,并要求微控制器提供启动和控制功能。

 

控制算法必须提供三件事:

  • PWM电压控制电机转速
  • 电机换向机构
  • 使用反电动势或霍尔传感器估算转子位置的方法
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脉宽调制用于对电机绕组施加可变电压。有效电压与PWM占空比成正比。正确换向时,BLDC电机的转矩-速度特性与直流电机相同。可变电压可用于控制电机的速度和可用扭矩。

功率晶体管的换向为定子中的适当绕组通电,以根据转子位置提供最佳的扭矩产生。在无刷直流电机中,MCU必须知道转子的位置并在适当的时间换向。

 

无刷直流电机梯形换向

直流无刷电机最简单的控制方法之一是使用所谓的梯形换向。

BLDC电机梯形控制器的简化框图

图1:BLDC电机梯形控制器的简化框图

 

在该方案中,电流通过电机端子一次控制一对,第三个电机端子始终与电源电气断开。

嵌入在电机中的三个霍尔器件通常用于提供数字信号,以测量60度扇区内的转子位置,并将此信息提供给电机控制器。因为在任何时候,两个绕组中的电流在大小上相等,第三个绕组中的电流为零,因此这种方法只能产生具有六个不同方向之一的电流空间矢量。当电机转动时,电机端子的电流每旋转60度进行一次电开关(换向),以使电流空间矢量始终在正交方向的最近30度内。

换向时的驱动波形和扭矩

图 2:梯形控制:换向时的驱动波形和扭矩

 

因此,每个绕组的电流波形是从零到正电流,再到零,再到负电流的阶梯。

这会产生一个电流空间矢量,当转子转动时,当它在六个不同的方向之间移动时,该矢量近似于平滑旋转。

在空调和冰箱等电机应用中,使用霍尔效应传感器不是一个可行的选择。在未连接的绕组中检测反电动势的反向电动势传感器可用于实现相同的结果

梯形电流驱动系统因其控制电路的简单性而广受欢迎,但在换向过程中会出现转矩纹波问题。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-08-04 14:09