微步步進(jìn)電機(jī)時電流調(diào)節(jié)的技巧

我有一個朋友喜歡世界各地的最新技術(shù)。帶著對 3D 打印機(jī)的狂熱，他最近邀請我去他的公寓欣賞他的新杰作，一臺自制的 3D 打印機(jī)。嗯，他確實(shí)很好地為我打印了一只三條腿半個頭的小狗，但真正引起我注意的是他的打印機(jī)在制作小狗時發(fā)出的小聲響。因此，在贊揚(yáng)了他的出色工作之后，我們花了一些時間討論導(dǎo)致這種噪音的原因。我們的結(jié)論是，3D 打印機(jī)內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)在進(jìn)行微步進(jìn)以完成小狗的精細(xì)切割時會發(fā)出所有噪音。討論很有成效，所以我想在這里與您分享我們的發(fā)現(xiàn)。

對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行微步進(jìn)以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更好的分辨率是工業(yè)界的一種常見方法。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動是由通過電機(jī)線圈的勵磁電流引起的，由于目標(biāo)是將一個完整的電機(jī)步進(jìn)分成多個微步，因此“操作方法”部分的任務(wù)非常簡單——只需生成多個當(dāng)前水平。這就是步進(jìn)電機(jī)控制中的所謂“電流調(diào)節(jié)”。

下圖顯示了電機(jī)線圈如何由四個MOSFET或“H 橋”驅(qū)動。由于線圈基本上是一個電感器，因此當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通并在線圈上產(chǎn)生電壓時，線圈電流會增加。當(dāng)電流達(dá)到與所需微步相匹配的水平時，MOSFET 被關(guān)閉，線圈上的電壓被移除。由于電感器的特性，電流沿替代路徑重新定向，幅度減小。當(dāng)電流衰減到一定水平時，MOSFET 再次開啟并重復(fù)相同的過程以將峰值電流保持在所需水平，直到電機(jī)需要移動到需要新電流水平的下一個微步。

上面顯示的兩種替代電流衰減路徑為我們提供了不同的衰減擺率：逆全電源極性流動的電流導(dǎo)致更快的速率，稱為“快速衰減”，而重定向通過兩個電阻 FET 的電流經(jīng)歷與 (L x 2R)，因此稱為慢衰減。

下面是兩種電流衰減模式之間的比較。兩個圖都顯示了相同的峰值電流和衰減時間，但快速衰減具有更大的電流紋波，因?yàn)樗哂懈叩膲簲[率。這可能會導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生更大的噪音、更多的熱量和更差的 EMI——這就是我朋友的 3D 打印機(jī)上噪音的來源。另一方面，如果你旋轉(zhuǎn)你的馬達(dá)非常快速且快速地從一個微步級別過渡到另一個，快速衰減可以幫助您快速穩(wěn)定電機(jī)電流。一般來說，當(dāng)整體電機(jī)電流呈增加趨勢時使用慢衰減，因?yàn)榻o電感器充電總是很容易，并且您希望獲得最佳噪聲性能，而當(dāng)電流趨勢快速減小時使用快速衰減，以便可以在移動到下一個微步驟之前足夠快地安頓下來。

快速和慢速衰減的混合稱為混合衰減，其中電流衰減開始快速，并且在一定時間后切換到慢速。這種方法在紋波(以及電機(jī)噪聲)和電流穩(wěn)定時間之間進(jìn)行權(quán)衡，從而產(chǎn)生更好的電機(jī)性能。

市場上的許多集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器都支持三種衰減模式(即快速、慢速和混合)，但我建議查看 TI 的新型高性能步進(jìn)電機(jī)預(yù)驅(qū)動器DRV8711。除了這三種模式之外，它還有第四種衰減模式，稱為“自動混合衰減”，設(shè)備在運(yùn)行過程中會自動選擇一種衰減模式。在這種方法中，在最小 FET 導(dǎo)通時間 (tON_min) 結(jié)束時對電機(jī)電流進(jìn)行采樣，并根據(jù)電流檢測結(jié)果采用不同的衰減模式。要對此有一個大致的了解：

如果電流低于所需的峰值電流 (Ipk)，它會繼續(xù)增長，直到達(dá)到目標(biāo) Ipk 水平;一旦到達(dá)那里，就會發(fā)生緩慢的衰減(如下圖所示)

如果檢測到電流高于所需的 Ipk 水平，則快速衰減立即啟動并持續(xù)一段時間 tFAST 以避免電流失控，并且在 tFAST 結(jié)束時緩慢衰減接管剩余的電流衰減周期(參見下圖)。這種方法會自動優(yōu)化每個電流級別的電機(jī)性能，并為設(shè)計(jì)中的任何電機(jī)提供最佳結(jié)果。

手動調(diào)節(jié)微型步進(jìn)電機(jī)的電流并不容易，但是由于集成了電機(jī)控制器IC，生活變得更加輕松!至少現(xiàn)在您將知道如何在下次構(gòu)建自己的 3D 打印機(jī)時減少噪音。然后你可以用集成的步進(jìn)電機(jī)控制器修復(fù)我的半頭小狗!