创新的基于反电动势的失速检测简化了步进电机设计

创新的基于反电动势的失速检测简化了步进电机设计

作者:Dan Jacques, 亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems, LLC

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步进电机提供了明显更多的灵活性和控制比传统的连续旋转电机，他们广泛应用于各种工业，消费，和汽车应用。亚博尊贵会员许多应用需亚博尊贵会员要可靠的检测到达机械终点，而不使用外部传感器，电机失速检测可以替代。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械，它以小而精确的增量移动转子轴，没有反馈来控制电机速度。步进电机有几个优点:

• 由于步进器能保持恒定的转矩，因此在负载波动时具有良好的速度稳定性;
• 它们具有良好的启动特性，在零转速下最大扭矩;
• 动态范围宽，加速速度比伺服电机快;
• 由于步进电机的步进角较窄，机械瞬态响应小，使得位置和速度控制不需要复杂的控制回路成为可能。

因此，步进电机驱动解决方案的成本是非常实惠的。

步行者也有一些缺点;尽管如此，电子技术的进步已经帮助把它们的影响降到最低。开环操作无法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，谐振会引起振动。如果转速过高，电机会失去步进。

图1:步进电机

步进电机有各种尺寸和功率级别，有许多选择的精度的步进性能。

图2:控制器ic

全功能，高度集成的控制器ic可在工业标准，低轮廓，表面安装封装与散热垫。

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何时是静止的，这可能是由几种条件造成的。由驱动器产生的电场旋转可能与定子的机械旋转失去同步，或机械负载可能超过电机的设计限制。负载路径上的任何障碍物，包括固定的机械停止，也会导致电机停止转动，但在这些情况下，没有关于绝对位置的信息，电机将试图通过障碍物，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，通过设计将步进器驱动到一个固定的止点，本质上降低了系统的效率，这在电池驱动的应用中是至关重要的。亚博尊贵会员

为了缓和这些负面影响，电子集成失速检测功能可用于确保负载已达到其期望的位置，或通知用户，如果负载被阻碍。当不需要绝对定位时，电子失速检测常常可以代替昂贵的滑离合器或光学编码器提供失速检测。图3显示了一些需要这种失亚博尊贵会员速检测的常见应用。

图3:需要步进电机失速检测的典型应用亚博尊贵会员

失速检测工作原理

电子失速检测是通过测量反电动势对PWM周期数的影响来实现的。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和PWM电流控制激活。然而，当电动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对供电电压起作用，减少相电流的上升时间。因此，PWM电流控制需要较长的激活时间。假设一个恒定的步进率，这将导致电机每一步的PWM周期更少。

这种效果可以在图4中看到。显示和抵消绕组电流的两相，使每一步显示重叠。B阶段延迟90度。这样就可以直接比较绕组电流。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t = - 4ms时施加失速。通过直观的比较可以看出，A相电流上升得稍快一些，从而使设备应用更多的PWM周期来控制电流。这些额外的循环提供了检测失速状态所需的计数差。在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

每个电机绕组相位有一个PWM计数器，该计数器在每个满步累积电流限制事件的数量，从零到满电流。计数的允许差异被编进IC板载诊断寄存器。当计数低于程序设定的值时，就会检测到失速。

电子失速检测的相位限制

电子失速检测正常工作需要一些条件。在失速之前，电机必须已经步进足够快的反电动势，以减少相电流回转率。另外，电机不能处于全步进模式，0、16、32、48步的相电流方案必须符合0%和100%电流，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IC来正确评估失速信号是很重要的，如图4所示。在下面的图中，两种备选方案被提出，并演示了Allegro IC检测方法的性能。

硬(锁定)失速场景

一个旋转的转子停止了大约2毫秒之前，失速检测信号表明故障的低。请注意，即使PWM周期的数量增加了，相电流仍然保持其形状(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不是锁定的，转子振动作为驱动电流的应用。在这些情况下，可能很难检测失速，因为它似乎电机仍在移动。Allegro步进电机驱动器实现失速检测由于差分技术使用。当部分失速时，故障输出状态不断变化，表明转子进锁和出锁(见图6)。

图6:典型的软失速行为

失速检测产品

下表总结了一些先进的Allegro设备的特点与失速检测。关于这些设备的更多信息可以在Allegro网站www.allegromicro上找到。com。