一種提高步進電機運行質(zhì)量的電流控制方法

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)動電流低于設(shè)定值，誤差比在整個PWM關(guān)斷時間采用快衰減模式要小的多。

這種控制方法的優(yōu)點是，對于不同的電機和電源電壓，用戶不需要做任何系統(tǒng)調(diào)整，衰減模式是完全自動調(diào)整的。 而傳統(tǒng)的步進電機驅(qū)動，對于不同應(yīng)用，必須調(diào)整衰減模式甚至PWM關(guān)斷時間，以得到最好的運行質(zhì)量。

使用了這種電流調(diào)節(jié)方法，MP6500可以確保整個周期的平均繞組電流都準確穩(wěn)定(見圖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，手來判斷相對位置，噪聲和振動的情況。這些方法都很難精確測量每個細分段的位置精度。一個步距角1.8°步進電機，每八分之一步對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為0.225°，非常小。 在電機運動時，比較容易的測試方法是時域測量， 定位誤差會轉(zhuǎn)化為速度的變化。速度隨時間的變化可以用示波器測量出來。為了實現(xiàn)這些測量，測試設(shè)備需要一個高分辨率的光學編碼器和與步進電機支架組裝在一起的磁粉制動器。

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

要進行運行質(zhì)量測量，還需要一個頻率電壓轉(zhuǎn)換器(Coco Research KAZ-723)去處理光電編碼器的輸出信號，轉(zhuǎn)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。這個電壓信號實時代表了不斷更新的電機轉(zhuǎn)速。

測試設(shè)備如圖9，圖10所示。

圖9：電機試驗臺。

圖10：kaz-723 頻率電壓轉(zhuǎn)換器。

為了檢測整個測試系統(tǒng)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轉(zhuǎn)速的電壓信號，如圖11所示。

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

那么，圖11就是此測試設(shè)置下此電機最理想的運行結(jié)果，雖然我們可以通過預(yù)調(diào)整驅(qū)動波形來補償電機結(jié)構(gòu)引起的問題以進一步提高運行質(zhì)量。

圖11：模擬電流驅(qū)動電機運行測量。

接著，在相同設(shè)置和試驗條件下，用市面上通用的雙極步進驅(qū)動器來驅(qū)動電機，采用傳統(tǒng)的峰值電流控制和使用外部檢測電阻器。該驅(qū)動器電流增大時采用慢衰減模式，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間盡可能長，同時當電流幅值減小到零時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)步進驅(qū)動芯片，速度的變化是模擬正弦和余弦波電流驅(qū)動的三倍。這意味著電機噪聲，振動，以及定位誤差都增加了。

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

MPS MP6500步進驅(qū)動集成芯片，采用內(nèi)部電流采樣和上述的自動衰減電流調(diào)節(jié)方案，可以實現(xiàn)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(qū)動的結(jié)果一樣小，但是比傳統(tǒng)的驅(qū)動方案要改善許多，使得電機運行更平穩(wěn)安靜，定位更精確。

圖13：MP6500驅(qū)動的電機運行質(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(tǒng)的電流控制技術(shù)不能很好控制繞組電流，有可能產(chǎn)生嚴重的電流波形畸變。隨著電機的轉(zhuǎn)速不斷增大，反電動勢會越來越大，在它作用下相電流隨速度的增大而減小，且電流下降的時間也減少，從而導(dǎo)致力矩變小甚至失速。相對于傳統(tǒng)方案，MP6500的改進自適應(yīng)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(tǒng)下采用傳統(tǒng)電流控制模式，電機轉(zhuǎn)速不斷提高的測試結(jié)果(橫軸為時間，縱軸為轉(zhuǎn)速)。失速發(fā)生時，速度測量結(jié)果是在8V左右，相當于在480RPM。

圖14：傳統(tǒng)控制模式的提速測試。

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)動明顯更高的速度。失速發(fā)生時，速度測量結(jié)果是在10V左右，相當于在600RPM。

圖15：MP6500的提速測試。

結(jié)論

相對于傳統(tǒng)的步進電機的驅(qū)動芯片，MP6500采用了先進的自適應(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，能明顯改善步進電機的運行質(zhì)量。應(yīng)用本文中描述的測試設(shè)備，我們可以定量的測試和驗證此方案下運行質(zhì)量的改進與提高。