一种提高步进电机运行质量的电流控制方法

这种自适应衰减模式与只使用慢衰减模式相比，平均电流的变化比较小。由于快速衰减模式只用来控制驱动电流低于设定值，误差比在整个PWM关断时间采用快衰减模式要小的多。

这种控制方法的优点是，对于不同的电机和电源电压，用户不需要做任何系统调整，衰减模式是完全自动调整的。 而传统的步进电机驱动，对于不同应用，必须调整衰减模式甚至PWM关断时间，以得到最好的运行质量。

使用了这种电流调节方法，MP6500可以确保整个周期的平均绕组电流都准确稳定(见图8)，明显改善了电机的运行质量。

图8：MP6500输出电流波形

电机运行质量测量

步进电机的运行质量，往往很难准确的量化评估。通常，靠人的眼睛，耳朵，手来判断相对位置，噪声和振动的情况。这些方法都很难精确测量每个细分段的位置精度。一个步距角1.8°步进电机，每八分之一步对应的旋转角度为0.225°，非常小。 在电机运动时，比较容易的测试方法是时域测量， 定位误差会转化为速度的变化。速度随时间的变化可以用示波器测量出来。为了实现这些测量，测试设备需要一个高分辨率的光学编码器和与步进电机支架组装在一起的磁粉制动器。

步进电机选用的是一个用于小型工业设备或3D打印机的XY位移平台的典型电机：1.8°步距角NEMA 23步进电机，电感量为2.5mh，额定电流2.8A。

要进行运行质量测量，还需要一个频率电压转换器(Coco Research KAZ-723)去处理光电编码器的输出信号，转化为电压信号后就可以在示波器和频谱分析仪上分析处理。这个电压信号实时代表了不断更新的电机转速。

测试设备如图9，图10所示。

图9：电机试验台。

图10：kaz-723 频率电压转换器。

为了检测整个测试系统的运行和了解所用电机和测试装置的固有缺陷，在电机两个线圈上加上相位差90度的正弦波电流。两相电流和代表电机转速的电压信号，如图11所示。

频率电压转换器的输出显示电机瞬时速度的变化是周期性的，与驱动电流波形同步。这个速度变化很可能是由于电机本身的磁场和机械构造的缺陷引起的，也部分原因可能是编码器，测试机架，或驱动电流的谐波失真分量。

那么，图11就是此测试设置下此电机最理想的运行结果，虽然我们可以通过预调整驱动波形来补偿电机结构引起的问题以进一步提高运行质量。

图11：模拟电流驱动电机运行测量。

接着，在相同设置和试验条件下，用市面上通用的双极步进驱动器来驱动电机，采用传统的峰值电流控制和使用外部检测电阻器。该驱动器电流增大时采用慢衰减模式，电流减小采用混合衰减模式。

混合衰减模式的阈值设置尽量优化，使得慢衰模式工作时间尽可能长，同时当电流幅值减小到零时能一直保证跟踪所期望的理想波形。这样可以尽可能的减小PWM电流纹波，也就是尽量减小速度的变化量。

如图12所示，采用这种传统步进驱动芯片，速度的变化是模拟正弦和余弦波电流驱动的三倍。这意味着电机噪声，振动，以及定位误差都增加了。

图12：传统控制调节方案下的电机运行质量。

MPS MP6500步进驱动集成芯片，采用内部电流采样和上述的自动衰减电流调节方案，可以实现更好的电机运行质量。如图13所示，速度变化虽不是和模拟正弦和余弦波电流驱动的结果一样小，但是比传统的驱动方案要改善许多，使得电机运行更平稳安静，定位更精确。

图13：MP6500驱动的电机运行质量

高速运行

正如我们在图3中看到的，在很高的步率情况下，传统的电流控制技术不能很好控制绕组电流，有可能产生严重的电流波形畸变。随着电机的转速不断增大，反电动势会越来越大，在它作用下相电流随速度的增大而减小，且电流下降的时间也减少，从而导致力矩变小甚至失速。相对于传统方案，MP6500的改进自适应电流控制模式可以使电机运行在更高的速度。

图14为，同上测试系统下采用传统电流控制模式，电机转速不断提高的测试结果(横轴为时间，纵轴为转速)。失速发生时，速度测量结果是在8V左右，相当于在480RPM。

图14：传统控制模式的提速测试。

使用相同的设置和绕组电流，如图15所示，由于更好的自适应电流调节控制方案，MP6500可以驱动明显更高的速度。失速发生时，速度测量结果是在10V左右，相当于在600RPM。

图15：MP6500的提速测试。

结论

相对于传统的步进电机的驱动芯片，MP6500采用了先进的自适应电流控制方案，在保证总系统成本不变或更低的情况下，能明显改善步进电机的运行质量。应用本文中描述的测试设备，我们可以定量的测试和验证此方案下运行质量的改进与提高。