一種提高步進(jìn)電機運行質(zhì)量的電流控制方法

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。