步进电机控制基础

步进电机控制基础

由于其耐用性、可靠性、效率和标准化尺寸和安装选项的可用性,步进电机被广泛应用于工业自动化、机器人和新的利基消费产品,如桌面3D打印机。在本文中,我们将讨论这些电动机如何工作和如何控制它们的基础知识。

步进:精密运动控制的完美选择

在我们最近的一篇关于电动机的文章中,我们根据电动机如何将电能转化为旋转的机械运动,对交流和直流电动机的不同系列进行了广泛的概述。一般来说,步进电机属于同步电机,即转子与定子产生的外加磁场的方向同步运动。这种同步操作正是步进在需要精确运动控制的应用中频繁使用的原因。但是步进器有一个独特的特点——齿轮就像带有许多磁性齿的转子——它把一个完整的转子旋转分成许多小的有角度的步进,允许小而精确的运动。这加上事实,步进电机是无刷的(因此有很长的寿命),使他们的电机的选择工业自动化和机器人。

虽然所有的步进电机共享这个多极转子,在一些步进电机的每个齿是一个永磁极,从而使它们成为永磁同步电机。在另一种类型(可变磁阻步进电机),这些齿不磁化,而是由磁性软材料制成。

步进是如何运作的

虽然步进电机中的单个定子线圈(相位)是由直流脉冲驱动的,步进电机最好归类为交流永磁同步电机(PMSMs),因为施加在相位上的直流电压是如此高的频率(“斩波”),使得相位中的电流波形更精确地类似于正弦波(因为电感内部的电流不能立即改变)。这导致了相同的旋转定子磁场发现在永磁同步电动机,特别是当步进电机是微步。这种使用高频调制的直流波形来再现平滑的交流波形的方法,与音频电子产品(如高效率D类放大器和一些数字-模拟转换器(dac))所使用的方法相同。

非常适合开环或闭环控制

虽然它们非常适合开环控制,但通过添加限位开关、霍尔效应传感器和光学传感器,很容易实现闭环控制。这是一个很好的想法,在应用程序中,累积定位误差可能很小(由于间隙,微步,振动,失速)。控制回路可以解释并纠正这个错误。

步进电机控制的基本要求

一个步进电机控制器和驱动器(通常集成到同一个PCBA中)必须执行3个主要的事情:

为相位提供电流。直接连接到电机相位的元件(几乎总是功率晶体管)必须能够提供和吸收所需的电流,快速开关相位电压,并承受步进线圈产生的任何反电动势。给控制器和驱动电路供电的电源必须能够处理预期的最大电流(包括失速电流),而不会下垂并导致所有连接电路的电力不足。这可能会在实际的步进电机控制系统中造成严重破坏,因为相同的电源经常为数字控制电路以及步进电机本身供电。

按正确的顺序打开和关闭相位。各个相位的开启和关闭顺序(步进)不仅决定了旋转的方向,还决定了扭矩和振动、噪声和机械共振的数量。保持后者的最小是至关重要的,以避免由于步进损失的定位误差,更不用说对其余的机械系统的不利影响。微步进实现了这一点,同时提高了步进电机的角度精度。

产生正确的波形电压。这包括产生斩波频率(通常在30 kHz左右),并将其发送到功率晶体管,后者随后调制为每个相位提供的直流电流波形。步进电机控制器调节施加在相位上的电压,以保持其电流接近恒定值。毕竟,是线圈中的电流决定了磁场的强度,从而决定了作用在转子上的转矩。

现代步进电机公司集成和小型化

它是常见的购买一个单一的步进电机控制PCBA,包括驱动器,控制器(包括斩波器)和工业接口,如RS-485, CAN,甚至USB。这些一体化的集成解决方案正在变得更小,更便宜和更强大,这raybet电子竞技俱乐部反过来使步进电机甚至更容易使用和集成到您自己的设计。

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