設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)中遇到的那些問題

在本文，我們將為大家?guī)斫獯鹩嘘P(guān)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)中遇到的四個(gè)常見問題。步進(jìn)電機(jī)是各類系統(tǒng)不可或缺的構(gòu)成部分，因此其需要集精確定位、出色的速度控制和可重復(fù)運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)于一體。步進(jìn)電機(jī)被廣泛用于消費(fèi)類和商用機(jī)器中，比如3D打印機(jī)、紡織機(jī)器、醫(yī)療器材、機(jī)器人、舞臺(tái)燈光和ATM等系統(tǒng)。

步進(jìn)電機(jī)具有兩個(gè)由H橋控制的電流繞組，并以步進(jìn)角定義的離散步長運(yùn)動(dòng)。如果您使用此類電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，則會(huì)遇到一些常見挑戰(zhàn)。其中一些與驅(qū)動(dòng)相關(guān)，而另一些與系統(tǒng)相關(guān)。本文將回答一些最常見的問題，其中一些問題如圖1所示。

圖 1：步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的常見挑戰(zhàn)

Q1:

什么是調(diào)諧？

由什么原因引起，為什么它很重要？

步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)必須連續(xù)驅(qū)動(dòng)和衰減電流，以便調(diào)節(jié)電流并在每一步保持電機(jī)的位置。這會(huì)產(chǎn)生電流紋波。設(shè)計(jì)人員結(jié)合使用快速、慢速和混合衰減模式來控制流經(jīng)電機(jī)繞組的電流。選擇最佳衰減模式的過程稱為“調(diào)諧”。 調(diào)諧很重要，因?yàn)檎{(diào)諧不當(dāng)會(huì)引起振動(dòng)和不必要的可聽噪音，如圖1所示。

良好的調(diào)諧可直接實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)、減少可聽噪音并提高定位精度。TI的專利智能調(diào)諧技術(shù)是一種衰減方案，可適應(yīng)不斷變化的工作條件和電機(jī)參數(shù)，從而使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。智能調(diào)諧會(huì)逐周期地自動(dòng)優(yōu)化衰減模式以維持電流調(diào)節(jié)，從而使電機(jī)保持平穩(wěn)、安靜運(yùn)行，且比使用固定衰減模式時(shí)的溫度低11°C。智能調(diào)諧還可防止電流調(diào)節(jié)損失，從而最大程度地降低電機(jī)噪聲和振動(dòng)。圖2a、2b和2c所示為未調(diào)諧波形的實(shí)例，而圖2d所示為使用智能調(diào)諧的完美調(diào)諧波形。

圖 2：驅(qū)動(dòng)和衰減狀態(tài)不同

Q2:

是什么導(dǎo)致高可聽噪音？

可以減少系統(tǒng)中的可聽噪音嗎？

步進(jìn)電機(jī)的可聽噪音量取決于電機(jī)的類型和運(yùn)行條件。步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的噪聲源可為磁性、機(jī)械或電氣噪音。紋波量直接影響系統(tǒng)中的電氣噪聲量。確保最小紋波控制（降低噪聲）的一種方法是使用諸如DRV8426和DRV8424步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中可用的智能調(diào)諧紋波控制，其中關(guān)斷時(shí)間（TOFF）基于操作進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紋波，如圖3所示。

圖 3：智能調(diào)諧紋波控制

圖4所示為使用智能調(diào)諧紋波控制的可聽噪音性能和使用混合衰減的競爭設(shè)備的可聽噪音性能的比較。圖中清楚表明DRV8424的性能提高了10％。

圖 4：使用智能調(diào)諧紋波控制的可聽噪音性能

與競爭對(duì)手的設(shè)備的可聽噪音性能對(duì)比

Q3:

是什么導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)？有沒有辦法減少此類振動(dòng)并增加運(yùn)動(dòng)的平滑度？

產(chǎn)生電流紋波需要通過連續(xù)驅(qū)動(dòng)和衰減繞組電流來保持電流穩(wěn)定并在每一步保持電動(dòng)位置。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，使用高比例的慢衰減并提高電機(jī)速度會(huì)引入較大的反電動(dòng)勢電壓，從而導(dǎo)致電流調(diào)節(jié)損失、電機(jī)振動(dòng)和過熱。由于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)使用開環(huán)控制，因此沒有位置參考。此外，較差的通道間電流匹配、較差的電流感應(yīng)精度和較低的微步頻可能會(huì)導(dǎo)致斷續(xù)運(yùn)動(dòng)。

DRV8426、DRV8428和DRV8424步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的智能調(diào)諧技術(shù)可檢測到電流變化，并自動(dòng)插入更高比例的快衰減以保持電機(jī)穩(wěn)定。此外，這些設(shè)備還提供1/256微步頻和集成電流感應(yīng)，具有±5％的精確電流感應(yīng)精度，可將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)平滑到其預(yù)期位置。

Q4:

是否有方法降低物料清單（BOM）成本和系統(tǒng)尺寸？

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)通常需要兩個(gè)電流分流感應(yīng)電阻來監(jiān)視和調(diào)節(jié)電流。這些分流電阻器價(jià)格昂貴、增加了BOM成本并需要額外布線。我們的DRV8426、DRV8424、DRV8434步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成了電流感應(yīng)功能，無需使用外接、笨重、昂貴的分流電阻器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)±5％的電流精度。圖5將按比例繪制的DRV8424/DRV8426評(píng)估模塊（EVM）與競爭產(chǎn)品對(duì)比，其中DRV8424/DRV8426 EVM比競爭產(chǎn)品1小75％，后者需要外接電流感應(yīng)電阻，而DRV8424/DRV8426 EVM比競爭產(chǎn)品2小50％，后者集成電流感應(yīng)電阻。

圖5：EVM尺寸比較

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)遇到挑戰(zhàn)？幫你解決這四個(gè)常見問題！

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