電機控制設計:高性能運動控制的微步

步進電機是由直流電驅動的無刷同步電機，分步旋轉，在特定電源下保持轉子靜止。通過電子驅動器發送的明確定義的 PWM 脈沖序列使步進電機朝一個方向轉動。

步進電機具有一項特殊功能 - 能夠非常精確地將轉子軸旋轉幾度，并且無需傳感器來檢測其角位置。簡而言之，電機的一整圈可以分為一定的步數。步進電機的寬度決定步數。

在步進電機內部，定子上有幾個環形排列的繞組/線圈，它們像電磁鐵一樣工作。定子將磁場轉換為電流。制造商聲明的步數對應于相互電連接的線圈組(稱為相)的數量。在每組內，有幾對并聯的線圈。每個線圈對圍繞定子布置并電連接。每個相位按順序激活，以允許電機旋轉，一次一個步驟。

步進電機通過與從微控制器輸出到電機驅動器的脈沖信號同步，實現精確的定位和速度控制。電機驅動器通過在輸出端向步進電機提供功率脈沖來對微控制器的信號作出反應。

步進電機由電脈沖操作，電脈沖依次饋入定子的一部分。定子的勵磁順序決定了旋轉方向。通過微步進技術，可以獲得更流暢和線性的運動以及更好的定位。有不同的微步模式，長度從 1?3 整步到 1?32 整步。

步進電機驅動器

步進電機構成增量運動驅動器。隨著到達系統的每個命令脈沖，電機完成有限旋轉。通過以給定的順序和給定的電流方向為相供電來實現旋轉(圖 1和圖2)。

圖 1：步進電機和主要組件的電氣圖(圖片：Maxim Integrated)

圖 2：雙極和單極電機的一般布局(圖片：Maxim Integrated)

有不同的步進電機配置，甚至還有更多的驅動方式。最常見的定子配置是兩個線圈。它們圍繞定子的圓周布置，這樣當用方波信號驅動時，電機就會轉動。要使電機朝相反方向轉動，只需將信號的 A 相和 B 相之間的比率反向即可。

步進電機的主要應用是機器人、辦公自動化 (OA) 設備和醫療/護理設備，這些應用需要電機具有卓越的電機控制精度和更好的抗環境影響能力。旋轉變壓器和編碼器等電機控制解決方案用于優化運動并保證電機的正確位置。

帶有旋轉變壓器的步進電機即使在高溫、灰塵或振動的惡劣環境中也能實現高精度電機控制，并最大限度地提高可用扭矩。旋轉變壓器是一種感應式位移傳感器——一種用于測量角位移的機電設備。該裝置檢測螺線管中磁感應通量的變化。

例如，瑞薩電子公司開發了一種新的旋轉變壓器數字轉換器(RDC)，它支持美蓓亞三美的新型步進電機，以及用于控制帶有 32 位 RX MCU 的 RDC 的控制驅動軟件。瑞薩和美蓓亞三美已開發出基于傳感器的步進電機和電機控制解決方案，可滿足惡劣環境下的超精密應用要求(圖 3)。

圖 3：帶旋轉變壓器的步進電機(圖片：瑞薩電子)

Toshiba Electronic Devices and Storage Corp. 的驅動器解決方案采用主動增益控制 (AGC) 技術，可檢測電機負載轉矩并自動優化電機驅動電流。這可以防止電機打滑，同時簡化高效電機控制。

Maxim Integrated 提供MAX15024 / MAX15025 MOSFET 柵極驅動器，適用于工作頻率高達 1 MHz 且具有大容性負載的高頻和大功率電路。MAX15024可以吸收8 A的峰值電流并產生4 A的峰值電流。集成的可調LDO穩壓器提供柵極驅動幅度控制和優化。

Infineon Technologies AG 提供TLE 8444SL，這是一款適用于汽車和工業運動控制應用的受保護四半橋 IC，它基于公司的智能混合技術 SPT，將雙極和 CMOS 控制電路與 DMOS 功率器件相結合。PG-SSOP-24-7 封裝具有優勢，因為它節省了 PCB 上的空間和成本。集成的保護和診斷功能提高了系統的可靠性和性能。

微步步進電機與能夠以電子方式分割電機機械步距的驅動器結合使用時，可以執行比整步更高的分辨率的定位。微步用于實現更高的步進電機分辨率，在低速時提供更平滑的運動。

例如，螺距角為 1.8° 的步進電機會導致電機每轉一整圈(360 ÷ 1.8)旋轉 200 步(分辨率)。這種離散運動導致電機旋轉不完全平滑。

使用微步進技術減小電機步進的尺寸可以在低速下提供更平滑的運動。微步控制將每個完整的步進分成更小的值：例如，一個 1.8° 的螺距最多可以劃分 256 次，提供每轉 0.007° 的螺距角。

該數據表示位置的分辨率而不是其精度，這取決于發動機的機電精度，如發動機規格所示(優質混合動力發動機為 5%)。

微步使用脈寬調制 (PWM) 電壓來控制電機電流。當一個繞組中的電流增加時，另一個繞組會減小。這導致平穩的運動。微步有時被認為是機械齒輪的一個很好的替代品，因為它不會在系統中引入反沖或降低最大系統速度(圖 4)。

圖 4：微步進顯著減少了電機的位置振蕩。(圖片：多佛運動)

微步進可以在兩個步驟之間獲得大范圍的中間位置。轉子越接近平衡位置，相應相位中的電流就越大。

微步進更節能，使用更小、更頻繁的脈沖，使步進電機的速度比平時略高。折衷方案是電機扭矩通常會略微降低。

市場上有多種集成微步進電機驅動器。一種解決方案是 Allegro MicroSystems 的A4988 DMOS 微步進電機驅動器，其輸出驅動能力高達 35 V 和 ±2 A。A4988 采用表面貼裝、5 × 5-mm、QFN 封裝并提供運行能力在慢或混合衰減模式。混合衰減電流控制可降低可聽電機噪聲、提高俯仰精度并降低功耗(圖 5)。

圖 5：典型應用圖(圖片：Allegro Microsystems)

另一個例子是 STMicroelectronics 的L6470H dSPIN 微步進驅動器，它基于模擬混合信號技術構建。微步進驅動器集成了一個雙路低 R DS(on) DMOS 橋，配有精確的電流檢測電路和過流保護。數字控制內核通過一組專用寄存器進行編程。它還包括保護電路，提供完全受保護的設計，滿足最苛刻的電機控制應用的要求(圖 6)。