概述

在本系列的上一篇文章中，我們介紹了雙極性步進(jìn)電機(jī)的三種控制模式及其機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中包括雙全橋驅(qū)動(dòng)器。本文將討論雙極性步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)模式，以及它如何控制雙全橋驅(qū)動(dòng)器。

微步進(jìn)

半步步進(jìn)模式作為單相步進(jìn)和整步步進(jìn)的結(jié)合，可以獲得更多的電氣角度位置。而微步進(jìn)則增加了更多的中間角度位置，實(shí)現(xiàn)了更精細(xì)的步進(jìn)。

圖 1 顯示了微步進(jìn)的八個(gè)細(xì)分角度。它將單相步進(jìn)的90°電角分為八等份，分別代表八個(gè)電流位置。每個(gè)位置的電流都是A相繞組和B相繞組的電流合成矢量。合成矢量的幅度始終為 1。

每個(gè)位置的電流都需要分別投射到A相和B相上，以獲得相應(yīng)控制值（見表1）。

A相和B相電流可以根據(jù)表1中的相應(yīng)值進(jìn)行控制。通過對(duì)電流的控制，可以實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)角度合成A相與B相的電流矢量。

在八個(gè)分段（或階躍）的控制下，雙極性步進(jìn)電機(jī)的電流已經(jīng)類似于正弦波（見圖 2）。 如果階躍更多，通過雙極性步進(jìn)電機(jī)繞組的電流將更加趨近于標(biāo)準(zhǔn)正弦波。正弦電流波形可以減小電機(jī)輸出的扭矩脈動(dòng)，并在空中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而提高步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

帶衰減模式的電流調(diào)節(jié)

慢速衰減和快速衰減是用來穩(wěn)定每一步階躍電流的典型控制方法。以 A 相上的單個(gè)階躍為例，其電流調(diào)節(jié)波形如圖 3 所示。電流調(diào)節(jié)功能通過控制四個(gè) MOSFET 的導(dǎo)通/關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)，這四個(gè) MOSFET由 A 相的全橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

下面將詳細(xì)討論這兩種衰減模式。

慢速衰減

當(dāng) Q1 和 Q4 導(dǎo)通時(shí)，電源電壓 (U) 被施加到 A 相繞組上，電流開始上升。在相應(yīng)等效電路中，R為繞組電阻，L為電感（具有等效阻抗），E為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)磁場在繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)EMF（見圖4）。反向電動(dòng)勢(shì)作用在繞組電路上。

一旦電流達(dá)到所需值，就必須降低電流；否則，電流可能會(huì)持續(xù)增加并超過其設(shè)定值。此時(shí)，電流需要慢速衰減。

圖4 顯示了 A 相全橋驅(qū)動(dòng)的慢速衰減過程。

關(guān)斷 Q1 并導(dǎo)通 Q2（忽略死區(qū)時(shí)間）將進(jìn)入慢速衰減。 它相當(dāng)于將A相繞組短路。由于電流通過繞組電感，電流方向不會(huì)突然改變，而且電流在低側(cè)的兩個(gè)MOSFET中形成環(huán)流。此時(shí)只有反電動(dòng)勢(shì)（E）作用于電路，電流受反向壓降（-E）的影響開始下降。如果忽略電阻引起的壓降，電流將以E/L的速度減小。

電流下降一段時(shí)間之后，Q2 關(guān)斷，Q1 導(dǎo)通，電流得以再次上升。這個(gè)過程穩(wěn)定了每一步階躍的電流。

快速衰減

當(dāng)電流即將進(jìn)入需要較低電流的階躍時(shí)，電流需要進(jìn)一步下降。如果電流下降得不夠快，則慢速衰減的速度可能不足以將電流降低到所需的水平。此時(shí)就需要快速衰減（見圖 5）。

在快速衰減期間， Q2 和 Q3 在Q1 和 Q4 關(guān)斷（忽略死區(qū)時(shí)間）之后導(dǎo)通。此時(shí)，電源電壓反向施加在 A 相繞組上并與反電動(dòng)勢(shì) (E) 串聯(lián)。電流從Q2流向Q3，因?yàn)榱鹘?jīng)繞組電感的電流不會(huì)突然變化。電流以(E + U) / L的速度下降，下降速度比慢速衰減要快。

不同電流控制的比較

當(dāng)電流下降到下一個(gè)階躍的設(shè)定值時(shí)，電流調(diào)節(jié)方案可以從快速衰減變?yōu)槁偎p。組合使用慢速衰減和快速衰減可以控制電流快速變化，與此同時(shí)還能最大限度地減少電流紋波。圖 6 顯示了快速衰減、慢速衰減以及組合模式下的電流波形（電流波形顯示為綠色）。

在慢速衰減期間，電流在下降到下一個(gè)階躍之前會(huì)在較長的時(shí)間內(nèi)一直下降，這會(huì)導(dǎo)致波形失真。

在快速衰減和慢速衰減組合模式下，慢速衰減在雙極性步進(jìn)電機(jī)保持在一個(gè)階躍位置時(shí)調(diào)節(jié)電流，而快速衰減則在電流必須快速下降到下一個(gè)階躍值時(shí)更有效地控制電流。

結(jié)語

與整步或半步模式相比，微步進(jìn)模式可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的定位和更平滑的操作。本文討論了如何在階躍之間利用慢速衰減和快速衰減來穩(wěn)定電流。此外，組合衰減模式還可以減少扭矩脈動(dòng)，從而減少振動(dòng)和噪音。

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