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2021.06.23 电机

两相双极步进电机的驱动 其2

步进电机

上一篇文章“两相双极步进电机的驱动 其1”中,给出了两相双极步进电机的基本驱动电路示例和驱动波形。此次“两相双极步进电机的驱动 其2”篇,将介绍驱动两相双极步进电机过程中电流再生时的Decay:电流衰减。

两相双极步进电机的驱动:什么是Decay?


在驱动步进电机时,需要进行Decay(电流衰减)控制。

Decay是一种在关断对电机的电源供给时使电流衰减的方法,有Slow Decay(慢速衰减)和Fast Decay(快速衰减)两种基本方法。

以下是上一篇中给出的步进电机驱动波形中的一部分。输出电压OUT是PWM信号,因此输出电流是与PWM信号联动ON/OFF的平均电流。由于驱动的是线圈,所以输出电流的波形是锯齿波,而不是PWM电压输出的方波。下图是输出电流的放大波形。

蓝色波形是Slow Decay时的波形,由于衰减的斜率小,故电流衰减速度慢,PWM关断期间的电流衰减也较慢。因此,在导通时达到设定电流值的时间也缩短了。

红色是Fast Decay时的波形,由于斜率较大,因此电流衰减速度快,衰减量也很大,也因此在导通时需要花一些时间才能达到设定的电流值,周期比Slow Decay要慢。

Slow Decay和Fast Decay:方法的差异


可以通过切换电机驱动器输出H桥来选择衰减方法。

图中的线圈表示步进电机的线圈A和线圈B的一个线圈。这里省略了不在H桥四个开关的内部电流路径中的开关。

在Slow Decay(a)中,Q1和Q4处于导通状态。在(b)和(c)中,Q4导通,Q2导通和关断。尽管开关的状态不同,但由于再生电流也会经由寄生二极管流向关断的Q2的MOSFET,因此无论在哪种情况下,电流都以相同的方式流过。再生电流则仅是线圈中蓄积的电流流动。

(D)Fast Decay的(d)处于导通状态,与Slow Decay的状态相同。在(e)中,Q2和Q3导通;在(f)中,所有的MOSFET均关断,再生电流流经导通的Q2和Q3,也会经由寄生二极管流过关断的Q2和Q3,因此在这两种情况下电流都以相同的方式流过。电流会流向电源,但由于电源电压试图使电流沿相反方向流动,所以电流的衰减加快。
可以根据以哪种状态控制关断来区分使用“Slow Decay”和“Fast Decay”。

衰减方法的差异与步进电机驱动的关系


与Fast Decay相比,Slow Decay的电流纹波更小,因此噪声更小。另外,由于平均电流增加,所以可以增加产生的转矩。但其缺点是如果脉冲频率变快,波形会失真,电机无法正常旋转。

相反,Fast Decay在噪声和转矩方面虽然逊色,但对于高速脉冲频率,则比Slow Decay更具优势。

什么是Mix Decay(混合衰减)?


衰减方法基本上是Slow Decay和Fast Decay,不过还有一种将它们结合起来并充分利用两者优点的方法,即Mix Decay。

Mix Decay是以Fast Decay开始衰减,然后是Slow Decay。这使得电流衰减比Slow Decay快,而电流纹波比Fast Decay小。这不仅可以维持大转矩,同时还支持高速脉冲率。某些驱动器IC可以调整Slow和Fast的时间比,可优化电流波形。

以下是不同步数Slow/Mix/Fast Decay时的波形。从波形可以看出,Mix Decay已得到优化。

关键要点:

・在两相双极步进电机的驱动中,与Fast Decay相比,Slow Decay的电流纹波更小,因此噪声更小,平均电流更大,故可以获得更大的转矩。但是,在高脉冲频率情况下表现不佳。

・在两相双极步进电机的驱动中,与Slow Decay相反,Fast Decay在噪声和转矩方面虽然表现逊色,但在高脉冲频率方面则更具优势。

・在两相双极步进电机的驱动中,Mix Decay可以结合Slow Decay和Fast Decay的优点来优化波形。

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