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Trinamic步进电机驱动控制技术之斩波器模式

运用合理的斩波器计划方案 ,可以以平滑的过零达到当前的正弦波 。 这不但解决了由电机的反电动势造成的电流波形中的典型尖峰 ,而且还容许无共振的步进电动机运作 ,并提升了功效 。步进电动机等电机的线圈有着一定的电感 ,这代表可以在比较有限的时间内节约能量 。 这也代表一定的电流可以保持在电机线圈中,而不需要向其中馈入新的电流 。此特性代表您可以通过运用经典的斩波器模式(比如恒定T_off)或高级斩波器模式(比如 Trinamic的SpreadCycle™或StealthChop™)来驱动步进电动机时节约能源 。

一.斩波器模式是什么呢

用以斩波器操作的典型步进电动机是双极2相步进电动机 。 双极表示电机驱动器可以贴近两个线圈中每一个线圈的两侧 ,而且电机有着4根线 。为了更好地控制电流 ,每一相都连接 到一个 MOSFET 半桥,该半桥可以将任一端转换到电源电压或接地 。以某些方式切换 MOSFET代表您可以通过下述模式控制步进电动驱动的电流 :迅速衰减 ,电流从地面流入电源电压;迟缓衰减 ,电流在这里循环往复 ;ON相,电流从电源电压流到地。通过斩波器控制通过两个电机线圈的电流 。 对于每个斩波器周期 ,起初都是会在绕组上增加很高的电压 。 这造成绕组中的电流迅速升高 。 控制器一般通过测量与每一个绕组串联的小检测电阻两侧的电压来监控每一个绕组中的电流 。当电流超出规范的限定时,电压将关上或斩波。当电流下降到规范的限定范围时,电压重新开启 。这样的方式可以保持相对恒定的当前特定阶跃位置 ,因为现代微步进驱动器达到了该控制回路 ,所以解决了额外的控制器交互。

二.恒定T_off斩波器介绍

虽然在很多运用中仍常运用 ,但恒定的T_off PWM斩波器会造成步进电动机振动并产生典型的电流声或chi声步进电动机噪音 。这是由迅速衰减和迟缓衰减相位之间的固定关系造成的。由于这样的固定关系 ,达到了特定的目标电流 ,但平均电流低于所需要的目标 。运用示波器查询电流时,您会在零交叉处看见一个平坦的平台 ,在该平面上电机没有转矩 ,这会导致晃动和振动 。

三.SpreadCycle™PWM斩波器介绍

通过加入滞后功能 ,SpreadCycle解决了恒定的TOFF斩波器给您的机械系统产生的问题 。 它会自动在慢衰减和快衰减之间运用拟合关系 ,以建立该周期的最佳迅速衰减 。磁滞功能起着降落伞的作用 ,它使电流迟缓下降 ,所以并不会下降得太快,进而造成平均电流与目标电流相匹配 。除了产生近乎极致的电流正弦波外,逐周期斩波器模式SpreadCycle还可以减小电流纹波和转矩纹波。即便在高转速下,经典的恒定TOFF斩波器模式也呈现出电机反电动势造成的过度变形 ,SpreadCycle依然十分的有效 。电机控制技术能够测量每个斩波周期的电流 ,并自动调整磁滞功能 ,以优化快速衰减阶段。

四.StealthChop™斩波器介绍

通过消除异步线圈斩波器操作引起的噪声、脉宽调制抖动和传感电阻上的几毫伏调节噪声,潜行斩波使步进电机完全静音。为了理解潜动斩波如何使电机静音,重要的是要知道电流调节斩波始终响应每个周期的线圈电流测量。这导致噪音和两个电机线圈之间的电磁耦合。耦合导致产生的电机电流略有变化,从而影响电流斩波器。使步进电机静音的解决方案是一种叫做潜行斩波的调压斩波器。它根据脉宽调制占空比调制电流,从而将恒定脉宽调制频率引起的电流纹波降至最低。通过消除斩波器频率或频率抖动的变化,仅保留命令的变化。在50%的脉宽调制占空比下,电流几乎为零。通过调整PWM占空比来控制电流,移频斩波可以产生完美的正弦波,零电流电平直接穿越。此外,最小化电流纹波还可以最小化定子中的涡流,从而降低功率损耗并提高效率。因此,步进电机在静止和低速至中速时保持安静运行。与其它电压模式斩波器有所不同,StealthChop2无需配置。反之,它会在通电后的首个运作期内自动学习最佳设置,并在后期运作中更进一步优化设置。起始归位序列足够达成此学习过程。StealthChop和StealthChop2应用都达到了比传统式电流控制低10dB的噪声水准。其效果是,对于3D打印,台式机生产制造,会议摄像机和个人医疗器械等听不到的噪声很难接纳的场合,会产生低声的运动。

根据使用情况,将SpreadCycle和StealthChop结合使用在步进电机驱动可能是最佳解决方案。

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