電機控制設計：用于高性能運動控制的微步進

步進電機是由直流電驅動的無刷同步電動機，該直流電以步驟旋轉，使轉子在特定電源下保持靜止。通過電子驅動IC發送的明確定義的PWM脈沖序列將步進電機向一個方向轉動。

步進電機具有一個特殊功能 - 能夠非常精確地將轉子軸旋轉幾度，而無需傳感器來檢測其角度位置?？傊?，電機的完全轉動可以分為一定數量的步數。步進電機的寬度決定了步數。

在步進電機內部，定子上有幾個繞組/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彼此電連接的線圈組（稱為相）的數量。在每組中，有幾對并聯的線圈。每個線圈對都圍繞定子進行布置和電氣連接。每個相位按順序激活，以允許電機一步一步地旋轉。

步進電機通過與從微控制器輸出到電機驅動IC的脈沖信號同步，以精確的定位和速度控制運行。電機驅動IC通過向輸出端的步進電機提供功率脈沖來對微控制器的信號做出反應。

步進電機由電脈沖操作，這些電脈沖按順序饋送定子的一部分。定子被激勵的順序決定了旋轉的方向。通過微步進技術，可以獲得更流暢線性的運動和更好的定位。有不同的微步進模式，長度從1⁄3全步到1⁄32全步。

步進電機

驅動IC步進電機形成增量運動驅動。隨著每個命令脈沖到達系統，電機完成有限的旋轉。旋轉是通過以給定的順序和給定的電流方向為相位供電來實現的（圖1和2）。

圖1：步進電機和主要部件的電氣圖

圖2：雙極和單極電機的通用布局

有不同的步進電機配置，甚至更多的驅動方式。最常見的定子配置是兩個線圈。它們圍繞定子的周長排列，使得當用方波信號驅動時，電機轉動。要使電機朝相反方向轉動，只需反轉信號的相位A和B之間的比率即可。

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，它們需要具有卓越精密電機控制和更好的抗環境影響能力的電機。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。

帶旋轉變壓器的步進電機即使在炎熱、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。旋轉變壓器是一種電感式位移傳感器 - 一種用于測量角位移的機電設備。該器件檢測電磁閥中磁感應通量的變化。

圖3：帶旋轉變壓器的步進電機

步進電機的單極與雙極驅動

步進電機可配置為單極或雙極驅動;每種方法都有不同的性能屬性和權衡。

盡管步進電機在精確定位方面具有實用性和適用性，特別是在來回運動應用中，但推遲其廣泛采用的因素之一是提供所需駕駛員管理的挑戰。然而，嵌入了高水平功能的IC的引入改變了這一點。許多供應商提供具有不同級別特性和功能的步進電機驅動IC。

步進驅動IC的作用是充當系統微控制器（MCU）或處理器之間的接口，后者發出與運動相關的指令。然后，它通過直接管理電機的電流和電壓（圖4）或驅動外部 MOSFET 來實現這些功能。

圖4：步進電機驅動IC是MCU和電機本身之間的中介;更高功率的電機通常需要由驅動IC控制的分立式外部MOSFET，以實現所需的電流切換。

基本驅動IC具有一系列額定值組合，如通用單IC驅動器，可使用片上MOSFET為電機線圈提供高達1或 2A的電流。對于需要更多電流或電壓的步進電機，使用不同的步進驅動IC，該驅動IC用作MOSFET驅動IC，不直接連接到電機。設計人員添加了合適的外部MOSFET，其額定值與電機和項目要求相匹配。一些供應商提供具有一系列電壓和電流驅動能力的廣泛系列，以及一些步進電機控制器，其額定溫度范圍更寬或適用于汽車應用

圖5：一些供應商提供涵蓋一系列電壓、電流和認證級別的大量步進控制器產品

這些驅動IC之間的差異不僅在于其電壓和電流驅動額定值或堅固性要求。這也是功能集和功能的問題。一些應用需要基本控制，而另一些應用則需要更高的復雜性和潛力，以用作更復雜的閉環系統的一部分。

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