步进马达的电压与电流模式控制之对比
步进马达的电压与电流模式控制之对比
马达的扭距取决于通过马达线圈的电流。因此，控制扭距常见而符合逻辑的方式便是直接对其进行监测，从而实现电流调节。这种方法称为电流模式控制。还存在另一种驱动马达的方法，叫做电压模式控制。
在这种情况下，不用监测电流，但是为了达到所期望的目标电流，必须对应用于马达上的电压进行计算。本文将介绍这两种方法的优点和缺点。此款 powerSTEP01 步进马达驱动器产自 STMicroelectronics 公司，是市场上唯一可以使用这两种方法编程的驱动器。
在马达设计中，马达的电气规格可以表示为电感，电阻和反电动势，如图 1 所示。双向步进马达有一个双路 H 桥，每路 H 桥有 90 度相位差，应用相同的信号。因此，我们只专注于一路 H 桥即可。
图 1
在电流模式控制下，电流监测依靠在 H 在桥底部的分流电阻（见图 2）来完成，分流电阻的电压连接到 ADC。
图 2
基于此电压，可以触发各种动作，如图 3 所示。如果该电压超过给定阈值，则必须进行衰减。如果需要缓慢降低该电流，则要通过让桥的低边（或高边）上的电流再循环来实现缓慢衰减。通过在线圈上施加负电压，快速衰减会迅速下降。经过一段时间后，需要增加电流，并对马达施加正电压。电流会围绕着目标值波动，直到程序编入一个新的数值。
图 3
然后，必须使用电流模式控制来解决下面的问题：
——要求在同一个周期中，进行慢速和快速衰减编程设计。
—— 衰减时序的算法。由于反电动势 （BEMF）随着速度而变化，因此衰减时间必须改变。此外，在细分控制过程中，步进值是不同的，每一个细分驱动都需要一个不同的时序。即使有一个优化的时序，由于电流的嘈杂，也会阻止准确定位。
—— 随着时序的改变，频率会改变并可能在音频噪声中下降。在许多应用中，这（当然）不可接受。
—— 要求使用分流电阻。在高电流情况下，并联电阻会很大并很昂贵。
电压模式控制可以解决这些问题。正如前面所见，马达可表示为电感和电阻的固定值和取决于电机速度的反电动势。根据马达的速度，该系统表现为电阻电路（在低速下）或表现为感应电路（在高速下）。如果目标电流设为 Iph_target，则应用电压将由下列公式计算：
Ke 为马达的电常数，单位是 V/Hz；fel 为电频率，单位是 Hz。
在该模式下，电压是由一个固定频率 PWM 来施加（对于大多数系统，20 kHz 的频率是可行的，所以该频率总是高于音频频率）。其结果是，没有混合衰减要处理，系统运行更流畅，定位更精确，允许失速检测并在低速下可以更好地进行转矩控制。不幸的是，任何步进马达在不同转速下都有共振，当系统阻尼器不足够强时，电压模式控制便显示出弱点。事实上，由于没有监测电流，发生振动时，反电动势 (BEMF) 便不再可预测了。由于设计原因，该电压的频率和电压值不能适应，电流相位会跟随反电动势 (BEMF) 进行不稳定晃动，导致扭矩失控并有可能最终陷入停顿。
图 4 显示了这两种模式驱动的差别。H 桥的电压输出是蓝色和绿色，马达中的电流为棕色。在电流模式控制下，当蓝色和绿色互锁，会发生慢速和快速衰减的混合情况，这有别于只使用缓慢衰减来调整电流的电压模式。
图 4
总而言之，根据需求，电压或电流模式控制已经足够了。在低速时，电压模式控制更有利，而在高速时，或者如果马达必须经过共振阶段，电流模式是更适合。STMicroelectronics 公司的 powerSTEP01 步进马达驱动器，是市场上唯一可以使用这两种模式进行编程的驱动器。