步进电机控制的基础知识

步进电机控制的基础知识

步进电机凭借其耐用性、可靠性、高效率以及多种标准化尺寸和安装方式可供选择的优势, 被广泛应用于工业自动化、机器人技术和台式机3D 打印机等新型细分市场产品。在本文中, 我们将讨论这些电机的工作原理以及如何控制相关的基础知识。

步进机: 精密运动控制的完美选择

在我们最近关于电动机的文章中, 我们根据交流电动机和直流电机如何将电能转化为旋转机械运动的方式, 对其不同的系列进行了广泛的概述。从广义上讲, 步进电机属于同步类, 这意味着转子随定子产生的外加磁场的方向而锁定。这种同步操作正是在需要精确运动控制的应用中经常使用步进器的原因。但步进器特有的特性–齿轮, 就像具有许多磁性齿轮牙的转子–将一个完整的转子旋转划分为许多小角度, 以形成小的、精确的运动。再加上步进电机是无刷(寿命长), 使它们成为工业自动化和机器人的首选电机。

虽然所有步进电机共享这个多极转子, 但在一些步进机中, 每个齿轮牙都是永磁的极, 从而使它们成为永磁同步电机。在另一种类型 (可变磁阻步进电机) 中, 这些齿轮牙不是磁化的, 而是由磁化软的材料制成的。

步进机操作方式

虽然步进电机中的单个定子线圈 (相位) 是由直流脉冲驱动的, 但步进电机最好归类为交流永磁同步电机 (PMSM), 因为施加在相位上的直流电压频率 (“切碎”) 脉冲是非常高，此电流波形就类似于正弦波 (因为电感内部的电流不能立即改变)。这就是为什么在永磁同步电机中发现相同的旋转定子磁场, 特别是当步进电机是微步进时。这种使用高频调制直流波形来重现平滑交流波形的方法, 与音频电子 (如高效 D 类放大器和一些数字到模拟转换器 (Dac)) 所使用的方法相同。

适用于开路或闭环控制

虽然它们非常适合开环控制, 但通过添加限位开关、霍尔效应传感器和光学传感器, 可以轻松实现闭环控制。在可能出现小累积定位误差的应用中, 这是一个很好的办法 (由于反冲、微步进、振动、停滞)。控制循环可以解释和纠正此错误。

步进电机控制的基本要求

步进电机控制器和驱动器 (通常集成到相同的 PCBA) 必须执行3个主要操作:

提供电流到相位。直接连接到电机相位的组件 (几乎都是功率晶体管) 必须能够产生所需的电流和接收, 快速开关相位电压开和关, 并承受步进线圈产生的任何反电动势 。为控制器和驱动电路供电的电源必须能够处理预期的最大电流 (包括失速电流), 而不会下垂并导致所有连接电路断电。这可能会对真正的步进电机控制系统造成严重破坏, 因为相同的电源通常为数字控制电路以及步进电机本身供电。

按正确的顺序打开和关闭相位。打开和关闭各个相位的顺序 (步进) 不仅决定了旋转的方向, 还决定了扭矩和振动、噪声和机械共振的量。将后者控制在最低限度是避免因步骤缺失而出现定位错误的关键, 更不用说对机械系统其他部分的不利影响了。微步进实现了这一点, 同时提高了步进电机的角度精度。

生成正确的波形电压。这包括产生斩波频率 (通常在 30 kHz 左右), 并将其发送到功率晶体管, 然后调制直流电流波形, 为每个相位提供信息。步进电机控制器调节应用于相位的电压, 以保持其中的电流, 接近一个恒定值。毕竟, 是线圈中的电流决定了场的强度, 从而决定了扭矩作用在转子上。

现代步进电机控制器: 集成和小型化

购买单步进电机控制 PCBA 是很常见的, 其中包括驱动器、控制器 (包括斩波器) 和工业接口, 如 rs-485、CAN, 甚至 USB。这些一体化集成解决方案变得越来越小、更便宜、更强大, 这反过来又使步进电机更易于使用并集成到您自己的设计中。

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