點(diǎn)擊標(biāo)題下「MPS芯源系統(tǒng)」可快速關(guān)注

上期回顧：汽車電子中，識(shí)破開關(guān)頻率的凡爾賽文學(xué)（下篇）

各位攻城獅朋友們，好久不見！電源小課堂第四季全新回歸~這一季，我們將給大家?guī)?lái)更有價(jià)值的電源知識(shí)，內(nèi)容多多，誠(chéng)意不變，歡迎大家持續(xù)關(guān)注！

本期內(nèi)容

上回說(shuō)到，初出茅廬的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)磨練習(xí)得了細(xì)分控制，并且獲得了武林同僚們的認(rèn)可，它被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。

但是，如果步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子遇到失步，甚至更加惡劣的堵轉(zhuǎn)時(shí)，又沒有后續(xù)的診斷和解決策略，那么終端產(chǎn)品將無(wú)法發(fā)揮出所需的實(shí)力。

例如，在安防行業(yè)的球機(jī)應(yīng)用中，如果球機(jī)攝像頭在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中遇到失步和堵轉(zhuǎn)的問題，就無(wú)法準(zhǔn)確捕獲到所需位置的圖像。

在打印機(jī)的應(yīng)用中，如果打印的轉(zhuǎn)軸遇到了旋轉(zhuǎn)失步或者堵轉(zhuǎn)的問題，打印出來(lái)的紙張文字間距就會(huì)不均勻。

所以步進(jìn)電機(jī)想要在電機(jī)領(lǐng)域內(nèi)更進(jìn)一步，堵轉(zhuǎn)和失步的問題是需要突破的一大難關(guān)，這次它又是何應(yīng)對(duì)的呢？在說(shuō)明這個(gè)問題之前，我們還是需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)和特性。

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步進(jìn)電機(jī)開環(huán)位置控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)開環(huán)位置控制系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成: MCU(進(jìn)行步進(jìn)脈沖和方向指令發(fā)送)、雙全橋驅(qū)動(dòng)以及步進(jìn)電機(jī)(見圖1)。

圖1 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)位置控制系統(tǒng)框圖

MCU發(fā)送步進(jìn)脈沖和方向指令，雙全橋驅(qū)動(dòng)根據(jù)控制指令輸出功率，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。MCU每發(fā)送一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就按照步進(jìn)模式旋轉(zhuǎn)一個(gè)電氣角度，所發(fā)送的脈沖頻率越高，相應(yīng)的步進(jìn)頻率也就越高，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)得越快。每秒的脈沖數(shù)量稱之為PPS(脈沖頻率)，代表了步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

步進(jìn)電機(jī)能夠輸出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示：牽入轉(zhuǎn)矩和牽出轉(zhuǎn)矩。這兩個(gè)參數(shù)可以在坐標(biāo)軸上清晰地表現(xiàn)出來(lái)，以PPS為橫坐標(biāo)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為縱坐標(biāo)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)獲得牽入轉(zhuǎn)矩和牽出轉(zhuǎn)矩曲線(圖2)。

圖2 步進(jìn)電機(jī)牽入/牽出轉(zhuǎn)矩曲線

牽入轉(zhuǎn)矩

指步進(jìn)電機(jī)在不失步的情況下能夠按照給定的步進(jìn)頻率，克服轉(zhuǎn)子慣量，負(fù)載和摩擦力的情況下，確保啟動(dòng)的加速轉(zhuǎn)矩。只要負(fù)載大小在牽入轉(zhuǎn)矩的曲線區(qū)域內(nèi)，也就是啟動(dòng)區(qū)域內(nèi)，就能夠進(jìn)行正常的起步。

牽出轉(zhuǎn)矩

指步進(jìn)電機(jī)在不失步的前提下，能夠連續(xù)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸端可以提供的最大轉(zhuǎn)矩。

在牽入和牽出轉(zhuǎn)矩曲線之間是步進(jìn)電機(jī)的帶載連續(xù)運(yùn)行區(qū)域。如果負(fù)載或者步進(jìn)頻率進(jìn)一步增加，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)無(wú)法提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，就會(huì)處于失步區(qū)域。這是因?yàn)樵诟叩牟竭M(jìn)頻率或者更重的負(fù)載情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率無(wú)法跟上定子磁場(chǎng)變換的頻率。如果負(fù)載在此時(shí)更進(jìn)一步的加重，嚴(yán)重情況下，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子直接堵轉(zhuǎn)。

那么在實(shí)際的應(yīng)用中，將如何應(yīng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的失步和堵轉(zhuǎn)呢？

“乾坤大挪移”

為了應(yīng)對(duì)失步和堵轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)需要更進(jìn)一步地練習(xí)新的功法---“乾坤大挪移”。

該功法主要分為外功招式和內(nèi)功心法。外功招式就是有感控制，內(nèi)功心法則是無(wú)感的診斷方法。本篇內(nèi)容主要是對(duì)有感控制進(jìn)行詳細(xì)地介紹，無(wú)感的診斷方法將會(huì)出現(xiàn)在下篇內(nèi)容中。

有感控制

指步進(jìn)電機(jī)在不失步的情況下能夠按照給定的步進(jìn)頻率，克服轉(zhuǎn)子慣量，負(fù)載和摩擦力的情況下，確保啟動(dòng)的加速轉(zhuǎn)矩。只要負(fù)載大小在牽入轉(zhuǎn)矩的曲線區(qū)域內(nèi)，也就是啟動(dòng)區(qū)域內(nèi)，就能夠進(jìn)行正常的起步。

圖3 磁編碼器安裝結(jié)構(gòu)

圖4 步進(jìn)電機(jī)磁編碼器底裝示意圖

磁編碼器能夠輸出多種角度信號(hào)形式，來(lái)滿足不同要求下的應(yīng)用。

[A/B/Z 信號(hào)]

A/B/Z信號(hào)是一種增量型的脈沖輸出信號(hào)。(圖5)

A相和B相信號(hào)會(huì)在旋轉(zhuǎn)的每圈 (360°)輸出固定數(shù)量的脈沖方波。磁編碼器的分辨率越高，脈沖數(shù)目就越多。MCU通過(guò)對(duì)脈沖數(shù)目的捕獲就能計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度大小，見公式(1)。

圖5 A/B/Z 角度信號(hào)

公式（1）

其中，Angle為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度，count為A相合B相的脈沖數(shù)目以及上升和下降沿總和， bit為磁編碼器的分辨率。A相和B相信號(hào)在相位上會(huì)相差90度，通過(guò)對(duì)A相和B相信號(hào)之間相位角的超前或者滯后的檢測(cè)，來(lái)判斷轉(zhuǎn)子是進(jìn)行了順時(shí)針還是逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)。Z相信號(hào)在每圈只會(huì)輸出一個(gè)脈沖，主要是用來(lái)做圈數(shù)角度的校準(zhǔn)使用。

[寄存器數(shù)值]

角度信號(hào)也可以通過(guò)讀取磁編碼器寄存器獲得(圖6)，這是一種絕對(duì)式的位置角度信號(hào)。無(wú)論轉(zhuǎn)子停在哪一個(gè)位置，都能有唯一對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)位置和角度信號(hào)。通過(guò)對(duì)讀取到的值進(jìn)行角度計(jì)算，就可以獲得轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度，見公式(2)。

公式（2）

其中，Register為讀取的寄存器值大小，bit為磁編碼器的分辨率。

圖6 角度寄存器

[ 角度補(bǔ)償]

有了角度信息的輸入，步進(jìn)電機(jī)就仿佛知道了破綻所在。通過(guò)對(duì)比MCU輸出的角度指令PPS和角度傳感器反饋的角度信號(hào)，就能知道步進(jìn)電機(jī)目前是否處于失步和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過(guò)發(fā)送補(bǔ)償指令，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行角度補(bǔ)償。

控制的方式可以是半閉環(huán)的位置控制，MCU輸出補(bǔ)償脈沖進(jìn)行角度補(bǔ)償。（圖7）

圖7 步進(jìn)電機(jī)的位置半閉環(huán)控制

角度補(bǔ)償也可以是更為復(fù)雜和難度較高的位置閉環(huán)控制。用獲得的轉(zhuǎn)子角度信息，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的A相和B相電流進(jìn)行空間坐標(biāo)變換，形成轉(zhuǎn)子位置和dq坐標(biāo)電流的雙閉環(huán)控制，就能獲得更好的性能。（圖8）

圖8 步進(jìn)電機(jī)的位置閉環(huán)控制

這里涉及的一些更深入的技術(shù)知識(shí)大家可以通過(guò)文獻(xiàn)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，本篇文章也只是做一個(gè)拋磚引玉。那么除了外功招式，內(nèi)功心法無(wú)感的診斷究竟是什么樣子的呢？讓我們下一期再見~

END

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