如何更有效地旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，第 1 部分

在實(shí)際應(yīng)用中，我們喜歡步進(jìn)電機(jī)，這已不是什么秘密。我們非常喜歡它們，因此我們致力于開發(fā)集成電路 (IC) 和開發(fā)工具，使步進(jìn)電機(jī)更易于驅(qū)動(dòng)。我們有小型 BoosterPacks來鼓勵(lì)原型設(shè)計(jì);創(chuàng)新產(chǎn)品功能，如自適應(yīng)衰減，以消除電機(jī)調(diào)諧;以及具有集成索引器、集成或外部功率級(jí)以及全方位保護(hù)功能的大量驅(qū)動(dòng)器 IC 。

步進(jìn)電機(jī)在他們的電機(jī)伙伴中是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗鼈兪刮恢每刂品浅７浅Ｈ菀?。有刷和無刷直流電機(jī)需要閉環(huán)位置反饋來控制轉(zhuǎn)子的位置;步進(jìn)器是開環(huán)驅(qū)動(dòng)的，因此我們始終知道轉(zhuǎn)子處于哪一步。這使得步進(jìn)電機(jī)可用于多種應(yīng)用：舞臺(tái)照明、安全攝像機(jī)、自動(dòng)取款機(jī)、醫(yī)療分析儀、紡織設(shè)備以及掃描儀和打印機(jī)。3-D 打印是使用步進(jìn)電機(jī)控制位置的絕佳示例。

步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)與其優(yōu)點(diǎn)相同——它是開環(huán)驅(qū)動(dòng)的。為防止電機(jī)失速，必須以足夠的電流驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，以便電機(jī)在任何情況下都有足夠的扭矩裕度。這意味著步進(jìn)電機(jī)可能會(huì)有點(diǎn)熱，尤其是與無刷直流電機(jī)相比。步進(jìn)電機(jī)可能非常耗電。

我花了一些時(shí)間研究如何更有效地運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)，并問了自己幾個(gè)關(guān)鍵問題：

· 如果步進(jìn)電機(jī)空載運(yùn)行，有沒有辦法檢測到自由旋轉(zhuǎn)的情況并降低輸出電流?

· 如果電機(jī)負(fù)載增加，是否可以增加電流以防止電機(jī)失速?

· 我真的可以寫一篇關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的博客而不花一半時(shí)間談?wù)撾娏髡{(diào)節(jié)嗎?

撇開最后一個(gè)問題并希望最好，我研究了確定步進(jìn)電機(jī)負(fù)載的方法。電機(jī)反電動(dòng)勢 (EMF) 似乎很有希望，因?yàn)殡S著電機(jī)負(fù)載下降，反電動(dòng)勢電壓會(huì)降低。至少在理論上，我們可以查看反電動(dòng)勢并根據(jù)該反電動(dòng)勢測量設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸出電流。

我的理論系統(tǒng)神奇地測量反電動(dòng)勢并將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器?？刂破鲗⒉竭M(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸出電流調(diào)整回步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)操作。唯一需要注意的是，反電動(dòng)勢僅在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)。因此，如果步進(jìn)電機(jī)保持位置或旋轉(zhuǎn)非常緩慢，此方法將不起作用。

在任何電機(jī)中都很難測量反電動(dòng)勢，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)它會(huì)隱藏起來。當(dāng)電流流過繞組時(shí)，電機(jī)兩端的電壓等于反電動(dòng)勢加上電機(jī)電阻的 I x R。我們需要根據(jù)我們對(duì)電機(jī)和電流的了解來反算什么是反電動(dòng)勢。這個(gè)計(jì)算方法好像挺難的，所以不想做。而且我非常感謝我不必這樣做，因?yàn)槊慨?dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行微步進(jìn)時(shí)，都會(huì)有一個(gè)步驟，其中通過繞組的電流為零。這個(gè)“零電流階躍”似乎是測量電機(jī)反電動(dòng)勢的最佳時(shí)機(jī)。

當(dāng)然，現(xiàn)在我們需要知道這個(gè)零電流階躍何時(shí)發(fā)生，以便我們可以在正確的時(shí)間實(shí)際測量反電動(dòng)勢。這非常困難，因?yàn)榇蠖鄶?shù)帶有分度器的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器不會(huì)在每次達(dá)到零電流步進(jìn)時(shí)告訴我們。所以你要么必須找到一個(gè)自動(dòng)采樣反電動(dòng)勢的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，要么走困難的路線，用兩個(gè)獨(dú)立的 H 橋手動(dòng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，并用控制器控制電流波形的每一步。

DRV8711是一個(gè)步進(jìn)柵極驅(qū)動(dòng)器，它實(shí)際上為我們采樣反電動(dòng)勢。