提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量的電流控制方法 - 全文

A雙極性步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)

雙極性步進(jìn)電機(jī)包含兩繞組，為了使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，不斷的給這兩個(gè)線圈加以相位差90度的正弦波，步進(jìn)電機(jī)就開始轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

通常，步進(jìn)電機(jī)不是由模擬線性放大器驅(qū)動(dòng)；而是由PWM電流調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)，把線性的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成了離散的直線段信號(hào)。 正弦波可被分成多段，隨著段數(shù)的增加，波形不斷接近正弦波。 實(shí)際應(yīng)用中，段數(shù)多從4到2048或更多，大多數(shù)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)IC采用4到64段細(xì)分。整步驅(qū)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(jī)機(jī)械狀態(tài)。半步驅(qū)動(dòng)，比整步驅(qū)動(dòng)方式相對(duì)復(fù)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(jī)的步進(jìn)分辨率提高了一倍。細(xì)分驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子走一步的角度將會(huì)隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加而減小，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)也越來越平穩(wěn)，例如把一個(gè)32段細(xì)分序列稱為八分之一步驅(qū)動(dòng)模式（見圖1）。

圖1：細(xì)分驅(qū)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(jī)轉(zhuǎn)子的位置取決于流經(jīng)兩個(gè)線圈繞組的電流的大小。通常，選擇步進(jìn)電機(jī)的主要指標(biāo)為，準(zhǔn)確的機(jī)械定位或精準(zhǔn)的機(jī)械系統(tǒng)速度控制。所以繞組電流的精度控制對(duì)步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行非常重要。

在機(jī)械系統(tǒng)中，有兩個(gè)問題會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的電流控制：

1、在低速運(yùn)行或用步進(jìn)電機(jī)用于定位控制的情況下，每一細(xì)分段電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致錯(cuò)誤的定位。

2、在高速運(yùn)行下，系統(tǒng)非線性會(huì)導(dǎo)致短期電機(jī)運(yùn)行速度變化，使得力矩不穩(wěn)，增加了電機(jī)噪聲和振動(dòng)。

PWM控制和電流衰減模式（Decay Mode）

大多數(shù)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，依靠步進(jìn)電機(jī)繞組的電感特性實(shí)現(xiàn)PWM電流調(diào)節(jié)。通過每個(gè)繞組對(duì)應(yīng)的功率MOSFET組成的H橋電路，隨著PWM控制開始，電源電壓被加到電機(jī)繞組上，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流。一旦電流達(dá)到設(shè)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)開始，H橋再次產(chǎn)生線圈電流。

重復(fù)這一過程，使繞組電流上升和下降。通過電流采樣和狀態(tài)控制，可以調(diào)節(jié)控制每一段細(xì)分的峰值電流值。

在預(yù)期的峰值電流達(dá)到后，H橋驅(qū)動(dòng)繞組的電流衰減控制方式有兩種：

1、繞組短路（同時(shí)開通低側(cè)或高側(cè)的MOSFET），電流衰減慢。

2、H橋反向?qū)ǎ蛟试S電流通過MOSFET的體二極管流通，電流衰減快。

這兩種電流衰減方式稱為慢衰減和快衰減（見圖2）。

圖2：H橋工作狀態(tài)。

由于電機(jī)繞組是感性的，電流的變化率取決于施加的電壓和線圈感值。要步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)行，理想的情況就是是能夠控制驅(qū)動(dòng)電流在很短的時(shí)間內(nèi)變化。不幸的是，電機(jī)運(yùn)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(shì)，稱為“反電動(dòng)勢(shì)”。 所以電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，此反向電動(dòng)勢(shì)就越大，在它作用下電機(jī)隨速度的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩變小。 為了減輕這些問題，要么提高驅(qū)動(dòng)電壓，要么降低電機(jī)繞組電感。 降低電感意味著用更少的匝數(shù)繞組，就需要更高的電流來達(dá)到相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度和扭矩。

傳統(tǒng)峰值電流控制的問題

傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)峰值電流控制，通常只檢測(cè)通過線圈的峰值電流。 當(dāng)預(yù)期的峰值電流達(dá)到后，H橋就會(huì)切換導(dǎo)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(xù)一定固定時(shí)間，或等一個(gè)PWM周期結(jié)束。電流衰減時(shí)，驅(qū)動(dòng)IC無法檢測(cè)輸出電流，從而導(dǎo)致一些問題。

一般來說，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(zhǔn)確的跟蹤峰值電流。 然而，隨著步率增大，慢衰減不能夠及時(shí)降低繞組電流，無法保證精確的電流調(diào)節(jié)。

為了防止采樣到開關(guān)電流尖峰，在每個(gè)PWM周期的開始，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(dǎo)致嚴(yán)重的電流波形畸變和電機(jī)運(yùn)行的不穩(wěn)定（見圖3）。

圖3：慢衰減模式下的電流畸變。

在正弦波達(dá)到峰值后，電流先開始衰減，然后又增加，直到H橋工作在高阻狀態(tài)，電流才繼續(xù)向零衰減。

為了避免這種情況，許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jié)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?yàn)榭焖p模式時(shí)的電流紋波相對(duì)大很多。 結(jié)果就是，兩種模式下的平均電流值相差很大，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)（見圖4）。

圖4：傳統(tǒng)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(jī)步進(jìn)不一樣，會(huì)導(dǎo)致位置誤差和瞬時(shí)速度的變化。電流過零時(shí)，因?yàn)閮煞N衰減模式的切換，也會(huì)有同樣的問題。

雙向電流采樣

傳統(tǒng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，在每個(gè)H橋下管源極和地之間接外部檢測(cè)電阻，只測(cè)量PWM導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)電阻上的正向電壓。在慢衰減模式下，電流循環(huán)通過內(nèi)部MOSFET，不通過檢測(cè)電阻，因此無法測(cè)量電流。在快衰減模式下，通過電阻的電流翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的是負(fù)電壓。對(duì)于目前的電源IC工藝，負(fù)電壓很難被簡單的采樣處理。

如果我們可以監(jiān)控電流衰減時(shí)期的繞組電流，許多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流調(diào)節(jié)問題就能被解決。但是，如上所說通過外部檢測(cè)電阻很難實(shí)現(xiàn)，更好的選擇是嘗試內(nèi)部電流檢測(cè)。內(nèi)部電流檢測(cè)允許在任何時(shí)候監(jiān)測(cè)電流，如PWM導(dǎo)通時(shí)間，以及快衰減和慢衰減過程中。 雖然它增加了驅(qū)動(dòng)IC的復(fù)雜性，但內(nèi)部電流檢測(cè)大大降低了系統(tǒng)成本，因?yàn)橥獠康牟蓸与娮璨恍枰恕?這些電阻非常大且昂貴，價(jià)格通常和驅(qū)動(dòng)IC差不多！

MP6500步進(jìn)驅(qū)動(dòng)IC

MP6500雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，集成內(nèi)部電流檢測(cè)，很好的取代了傳統(tǒng)廉價(jià)的峰值電流控制雙極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)IC。MP6500內(nèi)部電路框圖如圖5所示。

圖5：MP6500電路框圖。

MP6500最大驅(qū)動(dòng)電流峰值為2.5A（具體取決于封裝和PCB設(shè)計(jì)）；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(qū)動(dòng)模式。不需要外部電流檢測(cè)電阻，只需要一個(gè)接地的小型、低功耗電阻去設(shè)定繞組電流峰值。

內(nèi)部電流檢測(cè)依賴于精準(zhǔn)的功率管及相關(guān)電路的匹配設(shè)計(jì)，可以保證始終準(zhǔn)確采樣繞組電流，從而提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。

通常情況下， MP6500工作在慢衰減模式下。然而，當(dāng)一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間結(jié)束，慢衰減結(jié)束后，如果當(dāng)前繞組電流仍高于預(yù)期水平，快衰減模式會(huì)被開啟以用來迅速減小驅(qū)動(dòng)電流到所需值。 這種混合控制模式，使得驅(qū)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(shè)定值。 當(dāng)step跳變時(shí)，快衰減就被采用使得當(dāng)前電流迅速被調(diào)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(shè)定值。由于blanking time，每個(gè)PWM周期都會(huì)有一個(gè)最小導(dǎo)通時(shí)間，此時(shí)許多傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器無法控制繞組電流。如果發(fā)生這種情況，MP6500會(huì)不斷采用快衰退模式來保證繞組電流一直不超過設(shè)定值（見圖7）。

圖7： MP6500的自動(dòng)衰減模式（低電流情況下）。

這種自適應(yīng)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控制驅(qū)動(dòng)電流低于設(shè)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(duì)于不同的電機(jī)和電源電壓，用戶不需要做任何系統(tǒng)調(diào)整，衰減模式是完全自動(dòng)調(diào)整的。 而傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于不同應(yīng)用，必須調(diào)整衰減模式甚至PWM關(guān)斷時(shí)間，以得到最好的運(yùn)行質(zhì)量。

使用了這種電流調(diào)節(jié)方法，MP6500可以確保整個(gè)周期的平均繞組電流都準(zhǔn)確穩(wěn)定（見圖8），明顯改善了電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。

圖8：MP6500輸出電流波形

電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量測(cè)量

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，往往很難準(zhǔn)確的量化評(píng)估。通常，靠人的眼睛，耳朵，手來判斷相對(duì)位置，噪聲和振動(dòng)的情況。這些方法都很難精確測(cè)量每個(gè)細(xì)分段的位置精度。一個(gè)步距角1.8°步進(jìn)電機(jī)，每八分之一步對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為0.225°，非常小。 在電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，比較容易的測(cè)試方法是時(shí)域測(cè)量， 定位誤差會(huì)轉(zhuǎn)化為速度的變化。速度隨時(shí)間的變化可以用示波器測(cè)量出來。為了實(shí)現(xiàn)這些測(cè)量，測(cè)試設(shè)備需要一個(gè)高分辨率的光學(xué)編碼器和與步進(jìn)電機(jī)支架組裝在一起的磁粉制動(dòng)器。

步進(jìn)電機(jī)選用的是一個(gè)用于小型工業(yè)設(shè)備或3D打印機(jī)的XY位移平臺(tái)的典型電機(jī)：1.8°步距角NEMA 23步進(jìn)電機(jī)，電感量為2.5mh，額定電流2.8A。

要進(jìn)行運(yùn)行質(zhì)量測(cè)量，還需要一個(gè)頻率電壓轉(zhuǎn)換器（Coco Research KAZ-723）去處理光電編碼器的輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)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(hào)實(shí)時(shí)代表了不斷更新的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

測(cè)試設(shè)備如圖9，圖10所示。

圖9：電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。

圖10：kaz-723 頻率電壓轉(zhuǎn)換器。

為了檢測(cè)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行和了解所用電機(jī)和測(cè)試裝置的固有缺陷，在電機(jī)兩個(gè)線圈上加上相位差90度的正弦波電流。兩相電流和代表電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)，如圖11所示。

頻率電壓轉(zhuǎn)換器的輸出顯示電機(jī)瞬時(shí)速度的變化是周期性的，與驅(qū)動(dòng)電流波形同步。這個(gè)速度變化很可能是由于電機(jī)本身的磁場(chǎng)和機(jī)械構(gòu)造的缺陷引起的，也部分原因可能是編碼器，測(cè)試機(jī)架，或驅(qū)動(dòng)電流的諧波失真分量。

那么，圖11就是此測(cè)試設(shè)置下此電機(jī)最理想的運(yùn)行結(jié)果，雖然我們可以通過預(yù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)波形來補(bǔ)償電機(jī)結(jié)構(gòu)引起的問題以進(jìn)一步提高運(yùn)行質(zhì)量。

圖11：模擬電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行測(cè)量。

接著，在相同設(shè)置和試驗(yàn)條件下，用市面上通用的雙極步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用傳統(tǒng)的峰值電流控制和使用外部檢測(cè)電阻器。該驅(qū)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(shè)置盡量優(yōu)化，使得慢衰模式工作時(shí)間盡可能長，同時(shí)當(dāng)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(tǒng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片，速度的變化是模擬正弦和余弦波電流驅(qū)動(dòng)的三倍。這意味著電機(jī)噪聲，振動(dòng)，以及定位誤差都增加了。

圖12：傳統(tǒng)控制調(diào)節(jié)方案下的電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量。

MPS MP6500步進(jìn)驅(qū)動(dòng)集成芯片，采用內(nèi)部電流采樣和上述的自動(dòng)衰減電流調(diào)節(jié)方案，可以實(shí)現(xiàn)更好的電機(jī)運(yùn)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(qū)動(dòng)的結(jié)果一樣小，但是比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案要改善許多，使得電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)安靜，定位更精確。

圖13：MP6500驅(qū)動(dòng)的電機(jī)運(yùn)行質(zhì)量

高速運(yùn)行

正如我們?cè)趫D3中看到的，在很高的步率情況下，傳統(tǒng)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(yán)重的電流波形畸變。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷增大，反電動(dòng)勢(shì)會(huì)越來越大，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(dǎo)致力矩變小甚至失速。相對(duì)于傳統(tǒng)方案，MP6500的改進(jìn)自適應(yīng)電流控制模式可以使電機(jī)運(yùn)行在更高的速度。

圖14為，同上測(cè)試系統(tǒng)下采用傳統(tǒng)電流控制模式，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高的測(cè)試結(jié)果（橫軸為時(shí)間，縱軸為轉(zhuǎn)速）。失速發(fā)生時(shí)，速度測(cè)量結(jié)果是在8V左右，相當(dāng)于在480RPM。

圖14：傳統(tǒng)控制模式的提速測(cè)試。

使用相同的設(shè)置和繞組電流，如圖15所示，由于更好的自適應(yīng)電流調(diào)節(jié)控制方案，MP6500可以驅(qū)動(dòng)明顯更高的速度。失速發(fā)生時(shí)，速度測(cè)量結(jié)果是在10V左右，相當(dāng)于在600RPM。

圖15：MP6500的提速測(cè)試。

結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，MP6500采用了先進(jìn)的自適應(yīng)電流控制方案，在保證總系統(tǒng)成本不變或更低的情況下，能明顯改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。應(yīng)用本文中描述的測(cè)試設(shè)備，我們可以定量的測(cè)試和驗(yàn)證此方案下運(yùn)行質(zhì)量的改進(jìn)與提高。