如何選擇步進電機驅動IC以及電機算法

當我在光學實驗室工作的日子里，我們通常會使用步進電機來驅動靈敏的平移和測角儀載物臺，以收集空間和光譜分辨的測量結果。我們始終將步進電機用于這些應用，這要歸功于它們的低滯后和精細的分辨率。這些步進電機中的任何一個都需要驅動IC在所需方向上移動載物臺。

無論您是在設計靈敏的測量設備，還是需要為下一個機電系統精確控制速度和位置，您都需要為您的步進電機選擇合適的驅動IC。如果您知道要在元件數據表中檢查哪些規格，則將步進電機驅動IC與雙極或單極電機相匹配很容易。

步進電機和驅動IC的類型

常見的步進電機可分為單極和雙極器件，主要是指每個定子中線圈繞組的配置。在最基本的層面上，這些電機以相同的方式工作;電磁鐵以連續方式打開，將軸旋轉到所需位置。這些電機非常適合需要精確位置控制的應用。如果需要高速，則不應使用它們。這些步進電機包括可變磁阻電機、混合同步電機和永磁電機。

與雙極電機相比，單極電機相對簡單。單極電機每相使用一個繞組，每個繞組包括一個公共抽頭。由于采用公共抽頭，在任何給定時間，只有一半的繞組承載電流，產生的扭矩低于在相同電壓/電流下運行的雙極電機。兩相單極步進電機通常需要5至8根引線才能連接到驅動IC，具體取決于抽頭如何集成到定子繞組中。雙極電機在驅動IC通過兩個繞組施加特定模式的正向和反向電流時旋轉，因此稱為“雙極性”。這些電機需要一個H 橋每相位駕駛。

典型的電機有兩相，以減少引線數量。轉子可以沿轉子軸有堆疊的南北極（所謂罐體結構）或沿軸軸線的細齒;軸上這些區域之間的角度分離決定了步進電機的角度分辨率。

匹配步進電機和驅動IC

驅動IC規格中與給定步進電機匹配的最重要參數是：

恒流與恒壓驅動。繞組的電感和直流電阻會導致步進電機表現出瞬態響應。然后，這將影響電機達到全扭矩的速率。恒流驅動IC提供強大的電流突發，與恒壓驅動IC相比，這有助于電機在更短的時間內達到全扭矩。恒流驅動IC通常包括一個斬波器電路，一旦超過規定的限值，該電路就會降低繞組中的電流。

微步。一些驅動IC包括一個內部插值電路，該電路以一個步進的分數提供步進。分辨率可以降低標準步長1/2到1/16的任意系數。
相數。步進電機驅動IC設計用于驅動特定數量的相位。典型的單極和雙極步進電機使用兩相，盡管可變磁阻電機使用三相。
如果您打算連續驅動電機，請注意步進電機和驅動IC的諧振頻率。如果驅動脈沖的頻率與電機的諧振頻率相匹配，則電機外殼內可能會發生強烈的振動。這可能導致轉子軸與定子繞組不同步，有效地導致電機失速。

無刷直流電機控制算法

無刷電機不是自換向的，因此控制起來更復雜。

BLDC電機控制需要了解轉子位置和機構，以使電機換向。對于閉環速度控制，還有兩個額外的要求，測量電機速度和/或電機電流以及PWM信號以控制電機速度和功率。

BLDC 電機可根據應用要求使用邊緣對齊或居中對齊 PWM 信號。大多數只需要變速操作的應用將使用六個獨立的邊沿對齊PWM信號。這提供了最高的分辨率。如果應用需要伺服定位、動態制動或動態反轉，建議使用互補的中心對準PWM信號。

要感測轉子位置，BLDC 電機使用霍爾效應傳感器提供絕對位置感測。這導致更多的電線和更高的成本。無傳感器 BLDC 控制消除了對霍爾效應傳感器的需求，而是使用電機的反電動勢（電動勢）來估計轉子位置。無傳感器控制對于風扇和泵等低成本變速應用至關重要。使用 BLDC 電機時，冰箱和空調壓縮機也需要無傳感器控制。

許多不同的控制算法已被用于提供BLDC電機的控制。通常，電機電壓使用作為線性穩壓器工作的功率晶體管進行控制。在驅動更高功率的電機時，這是不切實際的。大功率電機必須使用PWM控制，并要求微控制器提供啟動和控制功能。

控制算法必須提供三件事：

• PWM電壓控制電機轉速
• 電機換向機構
• 使用反電動勢或霍爾傳感器估算轉子位置的方法
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脈寬調制用于對電機繞組施加可變電壓。有效電壓與PWM占空比成正比。正確換向時，BLDC電機的轉矩-速度特性與直流電機相同?？勺冸妷嚎捎糜诳刂齐姍C的速度和可用扭矩。

功率晶體管的換向為定子中的適當繞組通電，以根據轉子位置提供最佳的扭矩產生。在無刷直流電機中，MCU必須知道轉子的位置并在適當的時間換向。

無刷直流電機梯形換向

直流無刷電機最簡單的控制方法之一是使用所謂的梯形換向。

圖1：BLDC電機梯形控制器的簡化框圖

在該方案中，電流通過電機端子一次控制一對，第三個電機端子始終與電源電氣斷開。

嵌入在電機中的三個霍爾器件通常用于提供數字信號，以測量60度扇區內的轉子位置，并將此信息提供給電機控制器。因為在任何時候，兩個繞組中的電流在大小上相等，第三個繞組中的電流為零，因此這種方法只能產生具有六個不同方向之一的電流空間矢量。當電機轉動時，電機端子的電流每旋轉60度進行一次電開關（換向），以使電流空間矢量始終在正交方向的最近30度內。

圖 2：梯形控制：換向時的驅動波形和扭矩

因此，每個繞組的電流波形是從零到正電流，再到零，再到負電流的階梯。

這會產生一個電流空間矢量，當轉子轉動時，當它在六個不同的方向之間移動時，該矢量近似于平滑旋轉。

在空調和冰箱等電機應用中，使用霍爾效應傳感器不是一個可行的選擇。在未連接的繞組中檢測反電動勢的反向電動勢傳感器可用于實現相同的結果

梯形電流驅動系統因其控制電路的簡單性而廣受歡迎，但在換向過程中會出現轉矩紋波問題。

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