雙極性步進(jìn)電機的基礎知識
雙極性步進(jìn)電機包含兩繞組，為了使電機運行平穩，不斷的給這兩個(gè)線(xiàn)圈加以相位差90度的正弦波，步進(jìn)電機就開(kāi)始轉動(dòng)起來(lái)。
通常，步進(jìn)電機不是由模擬線(xiàn)性放大器驅動(dòng)；而是由PWM電流調節驅動(dòng)，把線(xiàn)性的正弦波信號轉換成了離散的直線(xiàn)段信號。 正弦波可被分成多段，隨著(zhù)段數的增加，波形不斷接近正弦波。 實(shí)際應用中，段數多從4到2048或更多，大多數步進(jìn)驅動(dòng)IC采用4到64段細分。整步驅動(dòng)，每一時(shí)刻只有一個(gè)相通電，兩相電流交替和電流方向切換，使得一共產(chǎn)生四個(gè)步進(jìn)電機機械狀態(tài)。半步驅動(dòng)，比整步驅動(dòng)方式相對復雜一些，在同一時(shí)刻，可能兩個(gè)相都需要被通電，如圖1所示，使電機的步進(jìn)分辨率提高了一倍。細分驅動(dòng)，電機轉子走一步的角度將會(huì )隨著(zhù)細分數的增加而減小，電機轉動(dòng)也越來(lái)越平穩，例如把一個(gè)32段細分序列稱(chēng)為八分之一步驅動(dòng)模式(見(jiàn)圖1)。
圖1：細分驅動(dòng)的電流波形。
電流控制精度的重要性
雙極性步進(jìn)電機轉子的位置取決于流經(jīng)兩個(gè)線(xiàn)圈繞組的電流的大小。通常，選擇步進(jìn)電機的主要指標為，準確的機械定位或精準的機械系統速度控制。所以繞組電流的精度控制對步進(jìn)電機的平穩運行非常重要。
在機械系統中，有兩個(gè)問(wèn)題會(huì )導致不準確的電流控制：
• 在低速運行或用步進(jìn)電機用于定位控制的情況下，每一細分段電機運行的步數錯誤，導致錯誤的定位。
• 在高速運行下，系統非線(xiàn)性會(huì )導致短期電機運行速度變化，使得力矩不穩，增加了電機噪聲和振動(dòng)。
PWM控制和電流衰減模式(Decay Mode)
大多數的步進(jìn)電機驅動(dòng)IC，依靠步進(jìn)電機繞組的電感特性實(shí)現PWM電流調節。通過(guò)每個(gè)繞組對應的功率MOSFET組成的H橋電路，隨著(zhù)PWM控制開(kāi)始，電源電壓被加到電機繞組上，從而產(chǎn)生驅動(dòng)電流。一旦電流達到設定值，H橋就會(huì )切換控制狀態(tài)，使得輸出電流衰減。 一定固定時(shí)間后，一個(gè)新的PWM周期又會(huì )開(kāi)始，H橋再次產(chǎn)生線(xiàn)圈電流。
重復這一過(guò)程，使繞組電流上升和下降。通過(guò)電流采樣和狀態(tài)控制，可以調節控制每一段細分的峰值電流值。
在預期的峰值電流達到后，H橋驅動(dòng)繞組的電流衰減控制方式有兩種：
• 繞組短路(同時(shí)開(kāi)通低側或高側的MOSFET)，電流衰減慢。
• H橋反向導通，或允許電流通過(guò)MOSFET的體二極管流通，電流衰減快。
這兩種電流衰減方式稱(chēng)為慢衰減和快衰減(見(jiàn)圖2)。
圖2：H橋工作狀態(tài)。
由于電機繞組是感性的，電流的變化率取決于施加的電壓和線(xiàn)圈感值。要步進(jìn)電機快速運行，理想的情況就是是能夠控制驅動(dòng)電流在很短的時(shí)間內變化。不幸的是，電機運動(dòng)中會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓，其方向與外加電壓相反,反抗電流發(fā)生改變的趨勢，稱(chēng)為“反電動(dòng)勢”。 所以電機轉速越快，此反向電動(dòng)勢就越大，在它作用下電機隨速度的增大而相電流減小，從而導致力矩變小。 為了減輕這些問(wèn)題，要么提高驅動(dòng)電壓，要么降低電機繞組電感。 降低電感意味著(zhù)用更少的匝數繞組，就需要更高的電流來(lái)達到相同的磁場(chǎng)強度和扭矩。
傳統峰值電流控制的問(wèn)題
傳統的步進(jìn)電機峰值電流控制，通常只檢測通過(guò)線(xiàn)圈的峰值電流。 當預期的峰值電流達到后，H橋就會(huì )切換導通狀態(tài)，使得輸出電流衰減(快衰減，慢衰減，或兩者的組合)，持續一定固定時(shí)間，或等一個(gè)PWM周期結束。電流衰減時(shí)，驅動(dòng)IC無(wú)法檢測輸出電流，從而導致一些問(wèn)題。
一般來(lái)說(shuō)，最好是用慢衰減，可以得到更小的電流紋波，平均電流能更準確的跟蹤峰值電流。 然而，隨著(zhù)步率增大，慢衰減不能夠及時(shí)降低繞組電流，無(wú)法保證精確的電流調節。
為了防止采樣到開(kāi)關(guān)電流尖峰，在每個(gè)PWM周期的開(kāi)始，有一個(gè)非常短的時(shí)間(blanking time)是不采樣繞組電流的，那么此時(shí)的電流就是不受控制的。這會(huì )導致嚴重的電流波形畸變和電機運行的不穩定(見(jiàn)圖3)。
圖3：慢衰減模式下的電流畸變。
在正弦波達到峰值后，電流先開(kāi)始衰減，然后又增加，直到H橋工作在高阻狀態(tài)，電流才繼續向零衰減。
為了避免這種情況，許多步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片，在電流幅值增加的時(shí)候采用慢衰減模式，在電流幅值減小時(shí)使用快衰減或混合衰減(結合快衰減和慢衰減)模式。 然而，這兩種衰減模式的平均電流是是完全不同的，因為快衰減模式時(shí)的電流紋波相對大很多。 結果就是，兩種模式下的平均電流值相差很大，導致電機運行不平穩(見(jiàn)圖4)。
圖4：傳統峰值電流控制下的波形
如圖4波形所示，峰值電流后一步和前一步的電機步進(jìn)不一樣，會(huì )導致位置誤差和瞬時(shí)速度的變化。電流過(guò)零時(shí)，因為兩種衰減模式的切換，也會(huì )有同樣的問(wèn)題。
雙向電流采樣
傳統的步進(jìn)驅動(dòng)，在每個(gè)H橋下管源極和地之間接外部檢測電阻，只測量PWM導通時(shí)檢測電阻上的正向電壓。在慢衰減模式下，電流循環(huán)通過(guò)內部MOSFET，不通過(guò)檢測電阻，因此無(wú)法測量電流。在快衰減模式下，通過(guò)電阻的電流翻轉，產(chǎn)生的是負電壓。對于目前的電源IC工藝，負電壓很難被簡(jiǎn)單的采樣處理。
如果我們可以監控電流衰減時(shí)期的繞組電流，許多步進(jìn)電機驅動(dòng)的電流調節問(wèn)題就能被解決。但是，如上所說(shuō)通過(guò)外部檢測電阻很難實(shí)現，更好的選擇是嘗試內部電流檢測。內部電流檢測允許在任何時(shí)候監測電流，如PWM導通時(shí)間，以及快衰減和慢衰減過(guò)程中。 雖然它增加了驅動(dòng)IC的復雜性，但內部電流檢測大大降低了系統成本，因為外部的采樣電阻不需要了。 這些電阻非常大且昂貴，價(jià)格通常和驅動(dòng)IC差不多！
MP6500步進(jìn)驅動(dòng)IC
MP6500雙極性步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片，集成內部電流檢測，很好的取代了傳統廉價(jià)的峰值電流控制雙極步進(jìn)電機的驅動(dòng)IC。MP6500內部電路框圖如圖5所示。
圖5：MP6500電路框圖。
MP6500最大驅動(dòng)電流峰值為2.5A(具體取決于封裝和PCB設計)；電源電壓范圍從4.5V至35V。 支持整步，半步，四分之一步，八分之一步驅動(dòng)模式。不需要外部電流檢測電阻，只需要一個(gè)接地的小型、低功耗電阻去設定繞組電流峰值。
內部電流檢測依賴(lài)于精準的功率管及相關(guān)電路的匹配設計，可以保證始終準確采樣繞組電流，從而提高步進(jìn)電機的運行質(zhì)量。
通常情況下， MP6500工作在慢衰減模式下。然而，當一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間結束，慢衰減結束后，如果當前繞組電流仍高于預期水平，快衰減模式會(huì )被開(kāi)啟以用來(lái)迅速減小驅動(dòng)電流到所需值。 這種混合控制模式，使得驅動(dòng)電流快速下降到零，同時(shí)又保證平均電流盡量接近設定值。 當step跳變時(shí)，快衰減就被采用使得當前電流迅速被調整到零，如圖6所示。
圖6：MP6500的自動(dòng)衰減模式(step跳變時(shí))。
如果電源電壓高，電感值低，或所需的峰值電流幅值很低，電流很有可能高于設定值。由于blanking time，每個(gè)PWM周期都會(huì )有一個(gè)最小導通時(shí)間，此時(shí)許多傳統的步進(jìn)電機驅動(dòng)器無(wú)法控制繞組電流。如果發(fā)生這種情況，MP6500會(huì )不斷采用快衰退模式來(lái)保證繞組電流一直不超過(guò)設定值(見(jiàn)圖7)。
圖7： MP6500的自動(dòng)衰減模式(低電流情況下)。
這種自適應衰減模式與只使用慢衰減模式相比，平均電流的變化比較小。由于快速衰減模式只用來(lái)控制驅動(dòng)電流低于設定值，誤差比在整個(gè)PWM關(guān)斷時(shí)間采用快衰減模式要小的多。
這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是，對于不同的電機和電源電壓，用戶(hù)不需要做任何系統調整，衰減模式是完全自動(dòng)調整的。 而傳統的步進(jìn)電機驅動(dòng)，對于不同應用，必須調整衰減模式甚至PWM關(guān)斷時(shí)間，以得到最好的運行質(zhì)量。
使用了這種電流調節方法，MP6500可以確保整個(gè)周期的平均繞組電流都準確穩定(見(jiàn)圖8)，明顯改善了電機的運行質(zhì)量。
圖8：MP6500輸出電流波形
電機運行質(zhì)量測量
步進(jìn)電機的運行質(zhì)量，往往很難準確的量化評估。通常，靠人的眼睛，耳朵，手來(lái)判斷相對位置，噪聲和振動(dòng)的情況。這些方法都很難精確測量每個(gè)細分段的位置精度。一個(gè)步距角1.8°步進(jìn)電機，每八分之一步對應的旋轉角度為0.225°，非常小。 在電機運動(dòng)時(shí)，比較容易的測試方法是時(shí)域測量， 定位誤差會(huì )轉化為速度的變化。速度隨時(shí)間的變化可以用示波器測量出來(lái)。為了實(shí)現這些測量，測試設備需要一個(gè)高分辨率的光學(xué)編碼器和與步進(jìn)電機支架組裝在一起的磁粉制動(dòng)器。
步進(jìn)電機選用的是一個(gè)用于小型工業(yè)設備或3D打印機的XY位移平臺的典型電機：1.8°步距角NEMA 23步進(jìn)電機，電感量為2.5mh，額定電流2.8A。
要進(jìn)行運行質(zhì)量測量，還需要一個(gè)頻率電壓轉換器(Coco Research KAZ-723)去處理光電編碼器的輸出信號，轉化為電壓信號后就可以在示波器和頻譜分析儀上分析處理。這個(gè)電壓信號實(shí)時(shí)代表了不斷更新的電機轉速。
測試設備如圖9，圖10所示。
圖9：電機試驗臺。
圖10：kaz-723 頻率電壓轉換器。
為了檢測整個(gè)測試系統的運行和了解所用電機和測試裝置的固有缺陷，在電機兩個(gè)線(xiàn)圈上加上相位差90度的正弦波電流。兩相電流和代表電機轉速的電壓信號，如圖11所示。
頻率電壓轉換器的輸出顯示電機瞬時(shí)速度的變化是周期性的，與驅動(dòng)電流波形同步。這個(gè)速度變化很可能是由于電機本身的磁場(chǎng)和機械構造的缺陷引起的，也部分原因可能是編碼器，測試機架，或驅動(dòng)電流的諧波失真分量。
那么，圖11就是此測試設置下此電機最理想的運行結果，雖然我們可以通過(guò)預調整驅動(dòng)波形來(lái)補償電機結構引起的問(wèn)題以進(jìn)一步提高運行質(zhì)量。
圖11：模擬電流驅動(dòng)電機運行測量。
接著(zhù)，在相同設置和試驗條件下，用市面上通用的雙極步進(jìn)驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)電機，采用傳統的峰值電流控制和使用外部檢測電阻器。該驅動(dòng)器電流增大時(shí)采用慢衰減模式，電流減小采用混合衰減模式。
混合衰減模式的閾值設置盡量?jì)?yōu)化，使得慢衰模式工作時(shí)間盡可能長(cháng)，同時(shí)當電流幅值減小到零時(shí)能一直保證跟蹤所期望的理想波形。這樣可以盡可能的減小PWM電流紋波，也就是盡量減小速度的變化量。
如圖12所示，采用這種傳統步進(jìn)驅動(dòng)芯片，速度的變化是模擬正弦和余弦波電流驅動(dòng)的三倍。這意味著(zhù)電機噪聲，振動(dòng)，以及定位誤差都增加了。
圖12：傳統控制調節方案下的電機運行質(zhì)量。
MPS MP6500步進(jìn)驅動(dòng)集成芯片，采用內部電流采樣和上述的自動(dòng)衰減電流調節方案，可以實(shí)現更好的電機運行質(zhì)量。如圖13所示，速度變化雖不是和模擬正弦和余弦波電流驅動(dòng)的結果一樣小，但是比傳統的驅動(dòng)方案要改善許多，使得電機運行更平穩安靜，定位更精確。
圖13：MP6500驅動(dòng)的電機運行質(zhì)量
高速運行
正如我們在圖3中看到的，在很高的步率情況下，傳統的電流控制技術(shù)不能很好控制繞組電流，有可能產(chǎn)生嚴重的電流波形畸變。隨著(zhù)電機的轉速不斷增大，反電動(dòng)勢會(huì )越來(lái)越大，在它作用下相電流隨速度的增大而減小，且電流下降的時(shí)間也減少，從而導致力矩變小甚至失速。相對于傳統方案，MP6500的改進(jìn)自適應電流控制模式可以使電機運行在更高的速度。
圖14為，同上測試系統下采用傳統電流控制模式，電機轉速不斷提高的測試結果(橫軸為時(shí)間，縱軸為轉速)。失速發(fā)生時(shí)，速度測量結果是在8V左右，相當于在480RPM。
圖14：傳統控制模式的提速測試。
使用相同的設置和繞組電流，如圖15所示，由于更好的自適應電流調節控制方案，MP6500可以驅動(dòng)明顯更高的速度。失速發(fā)生時(shí)，速度測量結果是在10V左右，相當于在600RPM。
圖15：MP6500的提速測試。
結論
相對于傳統的步進(jìn)電機的驅動(dòng)芯片，MP6500采用了先進(jìn)的自適應電流控制方案，在保證總系統成本不變或更低的情況下，能明顯改善步進(jìn)電機的運行質(zhì)量。應用本文中描述的測試設備，我們可以定量的測試和驗證此方案下運行質(zhì)量的改進(jìn)與提高。
