创新的反电动势为基础的失速检测简化步进电机的设计

创新的反电动势为基础的失速检测简化步进电机的设计

作者：Dan Jacques，A雷竞技竞猜下载llegro MicroSystems，LLC

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与传统的连续旋转电机相比，步进电机具有更大的灵活性和控制能力，广泛应用于工业、消费和汽车领域。许多应用要求在不使用外部传感器的情况下可靠地检测到达机械终点，也可以使用电机失速检测。介绍了一种新颖的步进电机失速检测方法及其应用。雷竞技最新网址

步进电机简介

步进电机的一般定义是一种机电机械，它以微小的精确增量移动转子轴，而无需反馈来控制电机转速。步进电机有几个优点：

• 由于步进电机能保持恒定的转矩，因此在负载波动时具有良好的速度稳定性；
• 具有良好的启动特性，零转速时转矩最大；
• 动态范围宽，比伺服电机加速快；
• 由于步进电机的步进角很窄，因此步进电机的机械瞬态响应很小，不需要复杂的控制回路就可以实现位置和速度的控制。

因此，步进电机驱动解决方案的成本非常低廉。

步进电机有一些缺点；不过，电子技术的进步有助于将其影响降到最低。开环操作无法提供有关绝对位置或电机是否响应输入命令的信息。如果电机转速或绕组电流控制不当，谐振会引起振动。如果速度太高，马达可能失步。

图1：步进电机

步进电机有多种尺寸和功率等级，有许多用于精确步进性能的选项。

图2：控制器IC

全功能，高度集成的控制器集成电路可在工业标准，薄型，表面贴装封装与散热垫。

失速检测要求

在实际系统中，需要一种失速检测方法来检测转子何时静止，这可能是由多种情况中的任何一种引起的。驱动器产生的电场旋转可能与定子的机械旋转失去同步，或者机械负载可能超过电机的设计极限。负载路径的任何障碍物（包括固定的机械止动器）也会导致电机停止旋转，但在这些情况下，如果没有绝对位置的信息，电机将尝试通过障碍物，以确保负载到达终点。这会导致磨损、声音、发热和机械故障。此外，通过设计将步进电机驱动到固定停止位置会降低系统的效率，这在电池供电的应用中至关重要。雷竞技最新网址

为了缓和这些负面影响，可使用电子集成失速检测功能，以确保负载已达到其所需位置，或在负载受阻时通知用户。当不需要绝对定位时，电子失速检测通常可以取代昂贵的滑动离合器或光学编码器来提供失速检测。一些需要这种失速检测的常见应用如图3所示。雷竞技最新网址

图3：要求步进电机失速检测的典型应用雷竞技最新网址

失速检测的工作原理

电子失速检测的工作原理是测量反电动势对PWM周期数的影响。当电机停止或缓慢移动时，几乎没有反电动势阻碍相绕组中的电流。这允许电流快速上升到极限，并激活PWM电流控制。然而，当电机以正常运行速度旋转时，通过相绕组的磁极磁场产生的反电动势会对电源电压起作用，并缩短相电流的上升时间。因此，PWM电流控制需要更长的时间才能启动。假设一个恒定的步进速率，这将导致电机每一步的PWM周期减少。

这种效果可以在图4中看到。绕组电流的两个相位显示和偏移，以便每个步骤显示重叠。B相延迟90度。这允许直接比较绕组电流。当B相电流上升时，电机仍正常运行，反电动势作用限制电流上升时间。

在时间t=–4 ms时应用失速。目视比较显示，A相电流上升略快，导致设备应用更多PWM周期来控制电流。这些附加循环提供检测失速条件所需的计数差。在时间t=0时检测到失速。

图4：步进电机的典型行为

确定失速的方法

每个电机绕组相位都有一个PWM计数器，它在从零到全电流的每一整步累积电流限制事件的数量。允许的计数差被编程到IC板载诊断寄存器中。计数低于编程值时检测到失速。

电子失速检测的相位限制

电子失速检测需要具备一些条件才能正常工作。在失速之前，电机的步进速度必须足够快，以防反电动势降低相电流转换率。此外，电机不能处于全阶跃模式，相位电流方案必须符合0%、16%、32和48阶跃时的0%和100%电流，并且两个相位必须具有相同的轮廓。

失速检测场景

有许多因素会导致失速，因此使用先进的IC来正确评估失速信号非常重要，如图4所示。下图给出了两种备选方案，并演示了Allegro IC检测方法的性能。

硬（锁定）失速场景

在失速检测信号变低指示故障前约2 ms，旋转转子停止。请注意，即使PWM周期的数量增加，相电流如何保持其形状（见图5）。

图5：典型的硬失速行为

软（部分）失速场景

在许多情况下，转子失速没有被锁定，并且当施加驱动电流时转子振动。在这些情况下，可能很难检测到失速，因为电机似乎仍在移动。由于采用了差分技术，Allegro步进电机驱动器实现了失速检测。当应用部分失速时，故障输出持续改变状态，表明转子进入和退出锁定（参见图6）。

图6：典型的软失速行为

失速检测产品

下表总结了一些具有失速检测的高级Allegro设备的功能。有关这些设备的更多信息，请访问Allegro网站，www.allegromicro。通用域名格式。