基于反电动势的失速检测简化步进电机设计

基于反电动势的失速检测简化步进电机设计

丹·雅克(Dan Jacques雷竞技竞猜下载)， Allegro MicroSystems, LLC

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步进电机比传统的连续旋转电机提供了更多的灵活性和控制，它们被广泛应用于各种工业、消费和汽车应用。雷竞技最新网址许多应用需雷竞技最新网址要可靠的检测达到机械终点，而不使用外部传感器，电机失速检测可以代替。本文介绍了一种新颖的步进电机失速检测方法及其应用。

步进电机简介

步进电机的一般定义是一种机电机器，它在没有反馈的情况下以微小的精确增量移动转子轴来控制电机速度。步进电机提供几个优点:

• 它们在负载波动时表现出良好的速度稳定性，因为步进能保持恒定的转矩;
• 具有良好的启动特性，零转速时扭矩最大;
• 动态范围宽，加速速度快于伺服电机;
• 由于步进角较小，步进电机的机械瞬态响应较小，使得位置和速度控制不需要复杂的控制回路。

因此，步进电机驱动解决方案的成本是非常实惠的。

步进器存在某些缺点;尽管如此，电子技术的进步已经帮助减少了它们的影响。开环操作不能提供关于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，共振会引起振动。如果转速过高，电动机会失步。

图1:步进电机

步进电机来在各种尺寸和功率水平，与许多选项的精度步进性能。

图2:控制器ic

全功能、高度集成的控制器ic可在行业标准、低外形、表面贴装封装与散热垫。

失速检测要求

在实际系统中，需要一种失速检测手段来检测转子是静止的，这可能是由几种条件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性，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，包括固定的机械停止，也可以导致电机停止旋转，但在这些情况下，没有绝对位置的信息，电机将试图驱动通过障碍，以确保负载到达终点。这可能会导致磨损、噪音、发热和机械故障。此外，按照设计，将步进进固定止动会降低系统的效率，这在电池驱动的应用中至关重要。雷竞技最新网址

为了缓和这些负面影响，可以使用电子综合失速检测功能，以确保负载已达到所需位置，或在负载受阻时通知用户。当不需要绝对定位时，电子失速检测可以经常更换昂贵的滑块离合器或光学编码器来提供失速检测。图3显示了一些需要这种类雷竞技最新网址型的失速检测的常见应用。

图3:步进电机需要失速检测的典型应用雷竞技最新网址

如何检测失速

电子失速检测工作通过测量反电动势对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。这允许电流迅速上升到极限，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所产生的反电动势对电源电压起反作用，减少了相电流的上升时间。因此，PWM电流控制需要更长的时间来激活。假设一个恒定的步进率，这导致电机的每个步进的PWM周期更少。

如图4所示。绕组电流的两相显示和偏移，以便每个步骤显示叠加。B阶段延迟90电度。这允许直接比较绕组电流。当B相电流上升时，电机仍在正常运行，反电动势作用限制电流上升时间。

失速发生在时间t = - 4ms。视觉对比表明，A相电流上升速度略快，导致器件采用更多的PWM周期来控制电流。这些额外的循环提供了检测失速情况所需的计数差。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，该计数器在从零到满电流的每一个完整步骤中累积电流限制事件的数量。允许计数的差异被编程到IC板载诊断寄存器中。当计数低于程序设定的值时，检测到失速。

电子失速检测的相位限制

电子失速检测要正常工作需要几个条件。在失速之前，电机必须已经步进足够快，以使反电动势减少相电流的回转率。此外，电机不能处于全步模式，相电流方案必须符合0、16、32、48步电流的0%和100%，且两相必须具有相同的轮廓。

失速检测场景

造成失速的因素有很多，所以使用先进的集成电路来正确评估失速信号是很重要的，如图4所示。在下图中，给出了两种可选方案，并演示了Allegro IC检测方法的性能。

严重(锁定)失速场景

一个旋转的转子停止大约2毫秒之前，失速检测信号表明一个故障下降。注意相电流如何保持其形状，即使PWM周期的数量增加(见图5)。

图5:典型的硬失速行为

软(部分)失速情况

在许多情况下，转子失速不是锁定，转子振动作为驱动电流的应用。在这些情况下，很难检测到一个失速，因为它似乎电机仍在移动。Allegro步进电机驱动器实现了由于差分技术使用的失速检测。当出现部分失速时，故障输出状态不断变化，表明转子进入锁紧和退出锁紧(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功能的先进Allegro设备的特点。关于这些设备的更多信息可以在Allegro的网站www.allegromicro上找到。com。