3.3 双极步进电机中的微步进

欢迎观看 TI高精度实验室 步进电机系列第三章。 我叫 James Lockridge。 今天我将讨论双极步进电机的 微步进驱动。 微步进是一种步进驱动技术， 可以帮助步进电机实现精确的定位 和平滑的运动。 此幻灯片上的动画展示了微步进 如何影响齿轮运动的 一个示例。 大多数步进电机的典型步距为 0.9 度/步到 32 度/步。 因此请注意，此动画中所显示的 动作被夸大了。 通过使用电流调节技术来 创建称为半步进或微步进的中间步进， 步进驱动器可以更精确地 定位负载。 电流调节电路可将绕组电流 调整在不同的电平，以使每个绕组 产生强度不同的磁场。 当每个绕组的磁场叠加在一起时， 它们会产生一个总转矩， 该转矩会将转子定位在整步之间的 各个微步位置上。 一些集成式步进驱动器可以创建 比整步小 256 倍的 微步。 电流调节是步进驱动器 实现微步进的重要组成部分。 双极步进驱动器的输出级由 两个 H 桥组成，这两个 H 桥将电流驱动到 两个电机绕组中。 这些 H 桥控制电流流动的方向， 并最终控制由标准绕组产生的 磁场的极性和强度。 当连接到绕组 A 的 H 桥 导通其中一个高侧 FET 和相反的低侧 FET 时， 电流流经绕组 A并产生一个 北磁极。 为了改变该磁场的极性， 驱动器会关闭这些 FET 并打开相反的 FET。 类似地，B 相 H 桥 将电流驱动到 B 相绕组中， 从而在步进器中产生第二个磁场。 通过在不同的时间激励 A 相和 B 相， 当转子磁场不断尝试与定子磁场对齐时， 驱动器能以离散步距 移动转子。 整步进是驱动步进电机 最简单的方法之一。 第一步，步进驱动器通过 A 相和 B 相 绕组发送电流，在每个绕组上 形成一个北极。 尽管此动画中并未显示， 但 A 相和 B 相绕组分布在 电机周围，并根据其位置 和线圈绕组方向产生交变磁极。 在第一步中，转子旋转以使 其南极与定子绕组上的北极 对齐。 如果 A 相和 B 相电流没有变化， 则转子将保持在此位置。 为了使转子继续运动， 驱动器关闭第一组 FET， 并在 B 相中导通相反方向的 FET，以使 相反方向的电流通过绕组。 这会改变由 B 相产生的磁极的极性。 绕组中电流方向的切换过程继续进行， 导致转子 以离散步距运动。 步进驱动器可以使用半步进 来在整步之间的中间位置 实现转子位置。 此图显示了使用称为非圆形 半步进技术的步进绕组中的电流。 动画显示了步进转子如何 以非圆形半步进旋转。 在整步位置之间， 电机与激励相位直接对齐， 而另一相去激励。 这是一种实现中间半步进的 简单方法，在切换其中一个步进相的 磁极之前，关闭其中一个 步进相的 H 桥输出。 只要电机的电源电压等于或小于 电机的额定电压，就可以在没有 电流调节的情况下实现整步进和 非圆形半步进。 如果电机电源电压高于电机 额定电压，则必须将电流 调节为小于或等于电机额定电流。 虽然非圆形半步进易于实现， 但它具有高转矩纹波，会引起振动和 抖动。 标准半步进在中间步进中 将绕组电流调节为 70.7%， 以提供更一致的扭矩和更平稳的运动。 动画显示了电流如何 流过 H 桥以及此配置 如何驱动步进器连续运动。 使用电流调节，集成式步进驱动器 可以实现更小的步距。 此动画显示 1/4 步进。 驱动器调节步进线圈中的电流， 以在整步进位置之间实现 转子位置。 使用集成电流调节技术， 许多驱动器可以实现 1/6、1/32 甚至 1/256 微步进。 在选择微步进或整步进时 需要进行一些系统级的权衡。 虽然采用分立器件最容易实现整步进， 但系统可能会出现振动和 噪声问题。 半步进和微步进可以减少振动和噪声， 但是某些情况下， 由于步距间的增量转矩减小，可能会导致电机跳步。 微步进通常需要额外的电路 来实现电流调节。 然而，大多数集成步进驱动器 都集成了某种电流调节功能， 可将电流自动调节到微步进 所需的适当电平。 然而，大多数集成步进驱动器 都集成了某种电流调节功能， 可将电流自动调节到微步进 所需的适当电平。 有关步进电机和 TI 集成式步进 驱动器的更多信息， 请访问 ti.com 上的步进驱动器页面。