步進(jìn)馬達(dá)無(wú)所不在。其廣泛用于各種應(yīng)用，例如機(jī)器人、印表機(jī)、工業(yè)位置控制、投影儀、相機(jī)等。步進(jìn)馬達(dá)通常有兩個(gè)馬達(dá)繞組。每個(gè)繞組由全橋驅(qū)動(dòng)。馬達(dá)位置透過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)繞組中的電流進(jìn)行控制。
為了使馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)軌跡更順暢、位置控制更準(zhǔn)確，需要采用微步進(jìn)控制。在微步進(jìn)控制時(shí)，繞組中電流以正弦(A線條)和余弦(B線條)函數(shù)進(jìn)行調(diào)整(圖1)，每一步對(duì)應(yīng)一個(gè)預(yù)設(shè)的電流水準(zhǔn)。沒(méi)有最佳的衰變模式，就無(wú)法進(jìn)行良好的微步進(jìn)，會(huì)使馬達(dá)位置控制效能較差。
圖1 微步進(jìn)正弦和余弦函數(shù)
步進(jìn)馬達(dá)衰變模式運(yùn)作簡(jiǎn)介
衰變是驅(qū)動(dòng)中斷后驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)和二極體中的回圈電流，在脈沖寬度調(diào)變(PWM)電流調(diào)節(jié)/斬波技術(shù)中很常見(jiàn)。通常達(dá)到斬波電流的閾值后，驅(qū)動(dòng)電流就會(huì)中斷。為了處理衰變電流，全橋可以兩種不同狀態(tài)運(yùn)行：快速衰變與慢速衰變?；旌狭丝焖偎プ兒吐偎プ兊幕旌纤プ円渤３Ｓ玫健D2為正向電流的快速衰變與慢速衰變。
圖2 微步進(jìn)馬達(dá)控制正向電流的快速衰變與慢速衰變。
圖3為典型的PWM周期和事件順序。本圖中不同的衰變模式說(shuō)明如下：
圖3 慢速、快速與混合衰變模式的電流波形。
在慢速衰變中，電流使用兩個(gè)低階場(chǎng)效電晶體(FET)進(jìn)行回圈。然而，被調(diào)節(jié)的電流水準(zhǔn)卻會(huì)因?yàn)殡娏魉プ兊乃俣容^慢而受限。
在快速衰變中，全橋反轉(zhuǎn)繞組電壓，使電流以更快的速度衰變?？焖偎プ兊南拗圃谟陔娏鞒潆姾头烹姷乃俣认嗨?，因此，波紋電流可能會(huì)很大。這會(huì)導(dǎo)致較低的效率，并限制了一些可調(diào)節(jié)的電流水準(zhǔn)。
混合衰變是快速衰變和慢速衰變的組合。首先透過(guò)快速衰變，經(jīng)過(guò)特定時(shí)間后轉(zhuǎn)至慢速衰變模式。固定混合衰變也有其限制。PWM周期或慢速與快速衰變的結(jié)合比例要根據(jù)馬達(dá)、步進(jìn)速度、負(fù)載電流和電源電壓大小進(jìn)行優(yōu)化。與高電流水準(zhǔn)相比，低負(fù)載電流水準(zhǔn)需要不同的組合比例。
三大傳統(tǒng)衰變模式各有限制
傳統(tǒng)的固定衰變模式(慢速、快速和混合衰變)有許多限制。其中有一項(xiàng)是無(wú)法準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)電流，限制了微步進(jìn)馬達(dá)的性能表現(xiàn)。傳統(tǒng)的固定衰變還需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行微調(diào)，以確定最佳的設(shè)定。最后，固定衰變不根據(jù)電源電壓、負(fù)載電流、反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)和微步進(jìn)等各種的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
通常，逐一嘗試各種固定衰變選項(xiàng)，觀察示波器中的電流來(lái)選擇最適宜的選項(xiàng)，是目前開(kāi)發(fā)人員所能采用的最佳開(kāi)發(fā)方法。但這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)，而且在選擇最佳模式時(shí)仍須在不同條件限制中進(jìn)行妥協(xié)，例如：
．快速步進(jìn)速度的最佳化(藉由設(shè)置更高的混合衰變比例)會(huì)導(dǎo)致馬達(dá)保持在同一步時(shí)，電流調(diào)節(jié)中出現(xiàn)過(guò)多漣波(Ripple)。
．新電池和電量減少的舊電池，衰變模式可能不一樣。
．處理峰值電流和處理接近零電流的最佳衰變模式大不相同。
．以激進(jìn)的衰變?cè)O(shè)定(混合衰變周期中快速衰變比例較高)來(lái)削弱反電動(dòng)勢(shì)，會(huì)在調(diào)節(jié)大多數(shù)步進(jìn)的電流時(shí)引起過(guò)多的漣波。
．針對(duì)全新馬達(dá)微調(diào)出來(lái)的設(shè)定可能不適合用在接近報(bào)廢的舊馬達(dá)上。
掌握兩大重點(diǎn) 擺脫傳統(tǒng)衰變限制
在尋找處理衰變電流的改進(jìn)方法時(shí)，仔細(xì)分析其限制處會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。不同水準(zhǔn)的微步進(jìn)電流能有不同的衰變模式嗎？能否將電流調(diào)節(jié)和步進(jìn)變化的衰變方法分離開(kāi)？衰變模式能否隨著負(fù)載、供應(yīng)電壓和反電動(dòng)勢(shì)的變化而作改變？
以上問(wèn)題的答案都是肯定的。筆者建議的解決方案滿足了兩個(gè)主要需求。
第一，找出特定電流調(diào)節(jié)水準(zhǔn)中特定步進(jìn)的最佳衰變。在此方法中，電流調(diào)節(jié)期間，控制器記錄著線圈電流達(dá)到目標(biāo)電流的訊號(hào)(Itrip)在PWM周期發(fā)生的位置。其從記憶體中讀取前一個(gè)周期的“Itrip事件和時(shí)間”，隨后動(dòng)態(tài)地決定當(dāng)前周期需要的衰變行動(dòng)。
第二，快速地從一步轉(zhuǎn)折至另一步。作為對(duì)步命令的反應(yīng)，提高快速衰變比例允許在更短的時(shí)間里達(dá)到新的水準(zhǔn)，從而提供快速步進(jìn)反應(yīng)。
這種解決方案已經(jīng)被整合到步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器中，例如德州儀器(TI)的DRV8846或AutoTune。這是一種兼容并蓄的數(shù)位模式，使用者無(wú)需進(jìn)行微調(diào)，可以為任何情況下提供最佳減損設(shè)置。減損設(shè)置根據(jù)電流水準(zhǔn)、步進(jìn)變化、供電、反電動(dòng)勢(shì)和負(fù)載等變化的參數(shù)即時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
此方法有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。自我調(diào)整減損模式不需要進(jìn)行調(diào)試。另外，更小的漣波使得平均電流在峰值電流檢測(cè)整流時(shí)可以更準(zhǔn)確地達(dá)到所想要的步進(jìn)電流水準(zhǔn)，使得微步進(jìn)的精密程度更高，步進(jìn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)更順暢。更小的漣波還降低了馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)的噪音。
AutoTune衰變模式根據(jù)以下變化參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整：
．電源電壓
．負(fù)載電感
．負(fù)載電阻
．步進(jìn)馬達(dá)中步進(jìn)反電動(dòng)勢(shì)
．需要調(diào)節(jié)的電流強(qiáng)弱(轉(zhuǎn)矩)
因此，AutoTune可以在不犧牲漣波和步進(jìn)效能的前提下，滿足上述所有參數(shù)的需求。圖4是未采用自我調(diào)整衰變的電流波形。AutoTune除去了反電動(dòng)勢(shì)造成的變形。圖5為采用AutoTune后的電流波形。此模式節(jié)省了設(shè)置傳統(tǒng)固定衰變的裝置針腳，降低了系統(tǒng)成本。與大多數(shù)傳統(tǒng)衰變模式(圖6左)，此模式還能實(shí)現(xiàn)更快的步進(jìn)過(guò)度或反應(yīng)時(shí)間(圖6右)，不在電流調(diào)節(jié)中引起過(guò)多的漣波，同時(shí)在相鄰兩步之間保持步進(jìn)。該示例步進(jìn)反應(yīng)時(shí)間快了三倍。
圖4 反電動(dòng)勢(shì)的存在對(duì)電流調(diào)節(jié)造成的損失。
圖5 采用自我調(diào)整衰變消除反電動(dòng)勢(shì)的效果。
圖6 采用傳統(tǒng)衰變模式(左)與智慧衰變模式(右)的步進(jìn)切換時(shí)間比較，具體數(shù)字分別為600微秒及200微秒。
設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在情況允許時(shí)使用慢速衰變周期，使自我調(diào)整衰變模式的效率更高。
這是因?yàn)槁偎プ儨p少開(kāi)關(guān)損耗，通常使用效率更高的低階FET執(zhí)行。在圖7中，A線條的是線圈中調(diào)節(jié)的電流。B線條和C線條為全橋輸出電壓波形，顯示了輸出切換。B線條的尖峰為用于快速/固定衰變的反FET電壓。右側(cè)為采用TI的自我調(diào)整衰變功能AutoTune的圖表，盡少地采用了快速/固定衰變，左側(cè)為固定混合衰變圖表。這使得使用AutoTune可以實(shí)現(xiàn)更高效能。
圖7 固定混合衰變(左)與AutoTune(右)比較。
此自我調(diào)整衰變模式改善了低電流調(diào)節(jié)(微步進(jìn)正弦接近零交叉點(diǎn))效能。因?yàn)樽晕艺{(diào)整衰變模式與慢速衰變相似，在低電流時(shí)產(chǎn)生的波紋較低。但是，自我調(diào)整衰變不會(huì)引起慢速衰變會(huì)出現(xiàn)的調(diào)節(jié)損耗(圖8)。
圖8 固定慢速衰變模式與TIDRV8846的AutoTune衰變的電流比較。
慢速衰變會(huì)引起調(diào)節(jié)損耗是因?yàn)樵谧疃涕_(kāi)啟時(shí)間內(nèi)累積的電流多于慢速衰變降低的電流量。慢速衰變是電流路徑/回路中的電壓降產(chǎn)生的。回路電流越低，電壓降就越小，電流衰變量也因而變得更少。
自我調(diào)整衰變模式將成未來(lái)趨勢(shì)
類(lèi)似德儀AutoTune的自我調(diào)整衰變模式，將為馬達(dá)電流整流衰變模式的未來(lái)趨勢(shì)，因?yàn)檫@類(lèi)解決方案能實(shí)現(xiàn)更大的電流調(diào)節(jié)，步進(jìn)也更為精確。
此智慧解決方案會(huì)在馬達(dá)運(yùn)行于不同電源電壓、負(fù)載電流、負(fù)載電感反電動(dòng)勢(shì)時(shí)主動(dòng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并據(jù)此調(diào)整衰變。這種作法能帶來(lái)兩大優(yōu)勢(shì)，一是更高的效能，二是加快產(chǎn)品上市速度，設(shè)計(jì)人員不用再擔(dān)心得解決棘手的衰變問(wèn)題。
(本文作者任職于德州儀器)
