掌握精度：理解運(yùn)動控制中的微秒

步進(jìn)電動機(jī)在需要平穩(wěn)運(yùn)動和高分辨率定位的精確應(yīng)用中至關(guān)重要。認(rèn)識到滿足，半步步和微替代控制之間的差異對于滿足這些要求至關(guān)重要。本文通過匯總微填充的基礎(chǔ)來縮小知識差距。

介紹

步進(jìn)電動機(jī)廣泛用于工業(yè)，醫(yī)療和3軸定位系統(tǒng)應(yīng)用程序，例如3D打印機(jī)和計(jì)算機(jī)數(shù)值控制(CNC)機(jī)器，因?yàn)樗鼈兊木_性和相對簡單的控制方案。盡管交流電動機(jī)和無刷直流電動機(jī)可以獲得高精度，但步進(jìn)電動機(jī)在操作開放環(huán)控制和低速下具有高扭矩時(shí)具有高精度的額外優(yōu)勢。此外，步進(jìn)電動機(jī)通常比伺服電動機(jī)更具成本效益，更復(fù)雜。與拉絲直流電動機(jī)不同，步進(jìn)電動機(jī)可以用高扭矩保持位置。

通過允許電動機(jī)以較小的增量移動，微填充在步進(jìn)電動機(jī)控制方面非常有用，從而導(dǎo)致每次革命的離散位置的數(shù)量顯著增加，并隨后減少電動機(jī)噪聲和振動。模擬設(shè)備的三位一體運(yùn)動控制具有步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器IC，板級模塊和完整的解決方案，這些解決方案能夠以高達(dá)256 microSteps操作步進(jìn)電動機(jī)。

步進(jìn)運(yùn)動基礎(chǔ)知識

汽車構(gòu)建

步進(jìn)電動機(jī)(通常稱為步進(jìn))由磁性轉(zhuǎn)子和定子線圈組成?；旌?階段的步進(jìn)器具有一個帶有兩個磁性杯的轉(zhuǎn)子，每個轉(zhuǎn)子通常具有50齒。這些磁體具有相反的磁性極性，并且物理上彼此相抵消。定子由兩根線圈組成，位于中央轉(zhuǎn)子周圍的多個位置。以序列為啟動的每個相都會導(dǎo)致電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。

手術(shù)

步進(jìn)電動機(jī)通過將完整旋轉(zhuǎn)分為等距步驟，以離散的步驟移動。例如，電動機(jī)每革命中有200個離散位置的步進(jìn)電動機(jī)將具有1.8°的階躍角度。階躍角度來自將革命的360°除以完整步驟的數(shù)量。

當(dāng)電流應(yīng)用于電動機(jī)的線圈時(shí)，產(chǎn)生一個吸引或排斥永久磁鐵轉(zhuǎn)子的磁場，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)以與該磁場對齊。為了保持電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，必須交替進(jìn)行每個線圈，以使磁場保持在轉(zhuǎn)子前方。

全腳和半腳

為了更好地了解步進(jìn)電動機(jī)的步進(jìn)行為，我們將使用一個磁極對的簡化的2相步進(jìn)運(yùn)動模型評估。

全步模式

在完整的模式下，驅(qū)動程序用正電流或負(fù)電流為兩個線圈通電。這兩個階段均同時(shí)充滿電，可實(shí)現(xiàn)最大扭矩。通過線圈切換電流方向會導(dǎo)致軸旋轉(zhuǎn)。開關(guān)模式通常稱為換向，通常遵守圖相當(dāng)?shù)闹芷谛蛄小?

FullStepping可以進(jìn)行精確的步驟，速度控制和高固定扭矩。此外，在高速運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)ullStepping可以最大化電動機(jī)的扭矩輸出。但是，飽滿的振動和嘈雜的操作。這種振動和噪聲主要是由于位置跳躍，這會導(dǎo)致電動機(jī)超過其目標(biāo)位置，從而導(dǎo)致特定速度和降低的施加扭矩產(chǎn)生高共振。

由于具有單個磁極對的簡化電動機(jī)使用全步換向可實(shí)現(xiàn)每次革命的四個離散位置，因此將此概念擴(kuò)展到具有50磁極對的電動機(jī)，轉(zhuǎn)化為每革命的200個完整步驟。當(dāng)轉(zhuǎn)子的牙齒與線圈的磁場對齊時(shí)，該設(shè)置使電動機(jī)可將電動機(jī)定向到特定位置。

半步模式

減少步驟的大小可改善位置過沖，振動和噪聲問題?？梢酝ㄟ^實(shí)現(xiàn)額外的電流狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)階梯降低。半步模型將轉(zhuǎn)子位置的數(shù)量增加到每個磁極對的八個，從而導(dǎo)致位置分辨率增加一倍。電機(jī)驅(qū)動器在單相和雙相激發(fā)之間交替，以達(dá)到半步的行為。半步模型允許較高的位置分辨率，并減少振動。旋轉(zhuǎn)扭矩在低速下略有增加，但是在新的半步驟位置的電動機(jī)保持扭矩減少。這通常稱為增量扭矩。

盡管有這些改進(jìn)，但半步模型并非沒有問題。電動機(jī)仍然可以使位置相對較大，這意味著電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)并不完美。在低速下，問題尤其明顯，是微填充需求背后的驅(qū)動力。

微分

什么是微分?

微填充是一種控制步進(jìn)電動機(jī)的方法，使電動機(jī)可以旋轉(zhuǎn)到完整步驟之間的多個中間位置。它通常用于實(shí)現(xiàn)更高的位置分辨率和低速旋轉(zhuǎn)。如圖7所示，這是通過將每個整個步驟分為等距的縮影來實(shí)現(xiàn)的。增加微孔分的分辨率導(dǎo)致較小的行進(jìn)距離，從而減少了過沖和響起的位置，從而改善了振動和噪聲。

微分如何工作?

如圖8所示，通過向電動機(jī)提供正弦波形式來實(shí)現(xiàn)微填充。電機(jī)驅(qū)動器利用電流調(diào)節(jié)來精確地將這些正弦曲線傳遞到每個電動機(jī)線圈上。但是，不可能產(chǎn)生完美的正弦體。正弦波質(zhì)量，因此微填充的質(zhì)量受到步進(jìn)驅(qū)動器的類似物到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字到Analog(DACS)轉(zhuǎn)換器的分辨率的限制。 ADI Trinamic的每個步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動程序中的每個驅(qū)動器至少都有8位ADC和DAC，每整步可啟用多達(dá)256個微桿。由于混合步進(jìn)電動機(jī)通常每旋轉(zhuǎn)200個完整的步驟，因此使用256個微孔可允許每次革命最多51,200個離散位置。這導(dǎo)致令人印象深刻的步驟分辨率為0.00703125°。

主要考慮因素：位置準(zhǔn)確性和遞增扭矩

微填充有很多好處，但它帶來了兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：位置準(zhǔn)確性和遞增扭矩。

位置精度是指電動機(jī)的實(shí)際位置與其指揮位置之間的誤差。盡管微填充以更離散的位置增加了位置分辨率，但并不能提高位置精度。電動機(jī)的準(zhǔn)確性仍然是施工公差，電動機(jī)上的負(fù)載以及駕駛員準(zhǔn)確地為電動機(jī)線圈提供所需電流水平的能力。這些限制因素會影響電動機(jī)的準(zhǔn)確性，而不管飽滿或微替代。

增量扭矩定義為當(dāng)電動機(jī)停滯時(shí)將電動機(jī)從位置拉出所需的扭矩量。當(dāng)使用全速度時(shí)，磁轉(zhuǎn)子與電機(jī)線圈完全對齊，從而產(chǎn)生的最大保持扭矩等于電動機(jī)的指定固定扭矩。但是，當(dāng)使用微填充時(shí)，根據(jù)保持電動機(jī)的微桿位置的遞減降低。

重要的是，盡管增量扭矩會降低可用的扭矩以將電動機(jī)保持在這些微桿位置，但旋轉(zhuǎn)扭矩在很大程度上不受影響。當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，將看不到減少扭矩的效果。從實(shí)際的角度來看，如果需要高固定扭矩，用戶應(yīng)嘗試在全步或半步的位置停止電動機(jī)。

常見的微填充應(yīng)用

許多使用步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用程序都可以從微填充中受益。例如，3D打印需要高位置分辨率和最小振動才能產(chǎn)生高質(zhì)量的印刷品。醫(yī)學(xué)成像和手術(shù)機(jī)器人需要安靜的操作和精確的定位，以確?；颊叩氖孢m性和安全性。微觀填充滿足了這些要求。

另外，由于步長較小，位置過時(shí)大大降低。這帶來了幾個優(yōu)點(diǎn)：振動降低，效率提高和運(yùn)動更順暢。機(jī)械振動會消耗能量，在某些應(yīng)用中，例如CNC銑床，引入了額外的磨損并損害了可靠性。通過減少機(jī)械振動和噪聲，微填充還減少了與操作電動機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)的成本和能量的廢物。

使用微臺化的其他應(yīng)用包括醫(yī)學(xué)研究設(shè)備，閥門控制，氣泵，CCTV，機(jī)器人技術(shù)和工廠自動化。

ADI Trinamic解決方案

ADI Trinamic的步進(jìn)運(yùn)動產(chǎn)品提供了各種功能，可以幫助合并微填充。 MicroStepping(高達(dá)256個微桿)是ADI Trinamic的所有步進(jìn)運(yùn)動產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。

此外，某些ADI Trinamic零件提供了MicroPlyer?技術(shù)，這是一種微型插值技術(shù)，旨在使較舊的應(yīng)用程序輕松利用高的微孔分分辨率。

ADI Trinamic產(chǎn)品組合包括完整，高效和小型印刷解決方案，以支持任何空間和性能要求。這些零件可以幫助減少步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的復(fù)雜性和時(shí)間。

微磷酸微孔插裝器

256個微桿的分辨率可能超出了一些制造商的步進(jìn)驅(qū)動程序的能力。幸運(yùn)的是，ADI Trinamic的微透析技術(shù)允許低步驟的分辨率系統(tǒng)升級到256個微桿，而無需修改運(yùn)動控制邏輯。

MicroPlyer通過在保持位置和速度的同時(shí)合并步驟脈沖之間的其他當(dāng)前步驟來起作用。單位通過測量上一步周期的時(shí)間間隔并將其分為相等的部分，從而在步驟脈沖之間插入時(shí)間。這會產(chǎn)生一個內(nèi)部256-Microstep步驟信號，該信號用于驅(qū)動電動機(jī)。盡管提供了低分辨率的臺階輸入，但結(jié)果是平滑的256微孔輸出。因此，ADI Trinamic步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器是用于現(xiàn)有應(yīng)用的置換式替換的理想選擇。

例如，設(shè)計(jì)師可能希望升級16微孔驅(qū)動器和系統(tǒng)，以使用256個微桿菌實(shí)現(xiàn)更平滑的運(yùn)動。如果所需的速度為1.8°步角電動機(jī)每秒10轉(zhuǎn)(RPS)，則使用16個微孔時(shí)，輸入步驟信號將需要為32 kHz。通常，具有256個微桿的200個全步電動機(jī)需要512 kHz信號頻率才能旋轉(zhuǎn)10 rps。對于某些主機(jī)控制器或MCU來說，這可能太高了。另外，設(shè)計(jì)人員可以掉入支持微散熱器并保持32 kHz步驟信號的ADI Trinamic驅(qū)動器中。如圖9所示，ADI Trinamic驅(qū)動程序?qū)⑻幚聿襟E信號的插值，以使用256個微桿來創(chuàng)建運(yùn)動。

TMC2240 36 V，2 A RMS +智能集成的步進(jìn)驅(qū)動程序，帶有S/D和SPI和TMC5240 36 V，2 A RMS +智能集成的步進(jìn)驅(qū)動程序和控制器

ADI的TMC2240和TMC5240具有串行通信接口(SPI，UART)的智能，高性能，2階段步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器IC，具有微散熱器技術(shù)的微插值插值。這些驅(qū)動程序ICS基于256個微桿，一個內(nèi)置索引和兩個完全集成的36 V，3.0 Amax H-Bridges以及非隔離性集成電流傳感(ICS)，將高級步進(jìn)運(yùn)動驅(qū)動器組合在一起。 具有一流的運(yùn)動和電流控制，TMC2240和TMC5240具有平滑和無聲的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，具有完整的ADI三動力功能，提高功率效率冷卻步?，無傳感器負(fù)載和失速檢測(靜步2?/4?)，靜默操作(靜步2)和波紋減少電流控制(SpreadCycle?).everalcycle和StealthChop2斬波器模式可在各種速度下進(jìn)行最小的噪聲操作，并在everalcycle和StealthChop2之間進(jìn)行自動切換。 Adi Trinamic的精致StealthChop2 Chopper確保無噪聲操作與最大效率和最佳電動機(jī)扭矩相結(jié)合。 TMC5240是CDRIVER?IC，它通過集成運(yùn)動控制器而超越了典型的電動機(jī)驅(qū)動程序，從而允許簡化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。集成的8點(diǎn)運(yùn)動坡道允許用戶對所需的位置和運(yùn)動配置文件進(jìn)行編程，從而最大程度地減少混蛋并從主機(jī)控制器中卸載必要的計(jì)算。TMC5240是CDRIVER?IC，它通過集成運(yùn)動控制器而超越了典型的電動機(jī)驅(qū)動程序，從而允許簡化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。集成的8點(diǎn)運(yùn)動坡道允許用戶對所需的位置和運(yùn)動配置文件進(jìn)行編程，從而最大程度地減少混蛋并從主機(jī)控制器中卸載必要的計(jì)算。TMC5240是CDRIVER?IC，它通過集成運(yùn)動控制器而超越了典型的電動機(jī)驅(qū)動程序，從而允許簡化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。集成的8點(diǎn)運(yùn)動坡道允許用戶對所需的位置和運(yùn)動配置文件進(jìn)行編程，從而最大程度地減少混蛋并從主機(jī)控制器中卸載必要的計(jì)算。

這些產(chǎn)品具有診斷和保護(hù)措施，例如短或過電流保護(hù)，熱關(guān)閉和欠壓鎖定(UVLO)。在熱關(guān)機(jī)和UVLO事件中，駕駛員被禁用以防止損壞發(fā)生。此外，這些設(shè)備提供了測量一個外部模擬輸入，評估駕駛員溫度并估算運(yùn)動溫度的功能。

高集成，高能效和小型顏色構(gòu)成具有成本效益解決方案的微型和可擴(kuò)展系統(tǒng)。內(nèi)部電流傳感消除了對笨重的外部電流態(tài)電阻的需求。完整的解決方案可提供一流的表現(xiàn)，并將學(xué)習(xí)曲線降至最低。

這兩種產(chǎn)品都可以用于醫(yī)療儀器，實(shí)驗(yàn)室和工廠自動化，CCTV，Security和3D打印機(jī)等應(yīng)用中。

TMC2160雙極步進(jìn)電動機(jī)和TMC5160高壓驅(qū)動器高壓驅(qū)動器和雙極步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動控制器

TMC2160和TMC5160是具有串行通信接口(步驟/DIR，SPI，UART)的高功率，2相步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器IC，256-微晶狀體分辨率和與微賴斯的微隔插入。這些IC利用各種ADI Trinamic功能，包括CoolStep，StealthChop2，StallGuard2和SpraverCycle來優(yōu)化駕駛員性能。 TMC5160是一個CDRIVER IC，具有集成運(yùn)動控制器，具有Sixpoint?漸變，以更快的定位和梯形斜坡引起的緩解共振。

這些IC沒有集成的FET，可以通過選擇FET進(jìn)行靈活性，以適應(yīng)高電流和/或高壓。這種多功能性允許從電池動力系統(tǒng)到高壓工業(yè)應(yīng)用的廣泛應(yīng)用。

這兩種產(chǎn)品都可以用于醫(yī)療，紡織品，機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)驅(qū)動器以及閉路電視，安全性和工廠自動化的應(yīng)用中。

TMC2300 2階程步進(jìn)電動機(jī)的低壓驅(qū)動器

TMC23 00是一個低壓步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，可用于2相電池驅(qū)動的步進(jìn)電動機(jī)。該驅(qū)動器除了Coolstep，StealthChop2，StallGuard4和SpreadCycle功能外，還包括256-微孔分的分辨率。 StealthChop2可實(shí)現(xiàn)對便攜式，家庭和辦公應(yīng)用程序的無聲運(yùn)動控制。 TMC2300使用可選的UART接口進(jìn)行高級配置，利用最多256個microSteps的步驟/DIR接口。高效的功率階段和0.03 μA的微小備用電流有助于保證電池壽命較長。該駕駛員使用的雙AA或單鋰離子電池可以將其排入通常2.0V。

TMC2300驅(qū)動器可從3毫米×3毫米套件中提供高電機(jī)電流，適用于物聯(lián)網(wǎng)，手持設(shè)備，電池操作設(shè)備和移動醫(yī)療設(shè)備。

結(jié)論

MicroStepping在不同的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中提供了許多好處。當(dāng)高效率，精確定位和最小噪聲是至關(guān)重要的因素時(shí)，與ADI Trinamic溶液合并的效率是至關(guān)重要的。 ADI Trinamic的所有步進(jìn)運(yùn)動產(chǎn)品都具有256微質(zhì)的功能，并以簡單的任務(wù)來升級現(xiàn)有系統(tǒng)。