步進(jìn)電氣角度細(xì)分控制的意義

PART2細(xì)分控制

在上集我們知道，半步步進(jìn)模式是組合了單相步進(jìn)和整步步進(jìn)，從而獲得了更多的電氣角位置。

那么如果想要獲得更多更細(xì)的步進(jìn)電氣角度，是不是加入更多的角度位置就可以實(shí)現(xiàn)了？其實(shí)這就是細(xì)分控制的想法。

圖1：八細(xì)分電氣角

這是細(xì)分控制中的八細(xì)分的例子（見圖1），圖中可以看到單相步進(jìn)AàB這一個90度電氣角度被等分成了8份，也就是有8個電流位置存在，每個位置的電流都是由A相繞組和B相繞組的電流在空間上矢量合成的，合成的幅值大小為單位1。我們將每個位置的電流分別投影到A相和B相上會獲得右邊的控制數(shù)值表（見表1）。

表1：八細(xì)分控制數(shù)值表

如果我們需要這個位置的電流，就按照數(shù)值表中對應(yīng)的數(shù)值來控制A相和B相的電流，就能實(shí)現(xiàn)這一角度位置的電流控制，被控制的A相和B相電流就能合成對應(yīng)角度的電流矢量。

在八細(xì)分的控制下，步進(jìn)電機(jī)的電流會變成類正弦（見圖2），A相和B相電流就像走臺階一樣，按照每一個合成電流大小的數(shù)值走著。如果細(xì)分?jǐn)?shù)更多，那么電流波形就更加趨近于正弦。正弦的電流波形將會減小電機(jī)輸出力矩的波動，在空間上會形成圓形旋轉(zhuǎn)的磁場，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性就會增強(qiáng)。

圖2：八細(xì)分控制下的A相B相電流波形

那么要如何進(jìn)行每個電流臺階大小的調(diào)節(jié)，將電流穩(wěn)定在這個數(shù)值上呢？

PART3電流調(diào)節(jié)

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通常為了將電流穩(wěn)定在對應(yīng)的數(shù)值上，會采用 slow decay 和 fast decay 的控制方法，我們?nèi)相其中一段“臺階”來詳細(xì)看看。圖3為A相的電流調(diào)節(jié)波形圖，這是通過控制A相的全橋驅(qū)動的四個管子的通斷來實(shí)現(xiàn)（見圖4）。

圖3：A相電流調(diào)節(jié)波形圖

圖4：A相全橋驅(qū)動慢衰 slow decay 過程

當(dāng)Q1和Q4開通的時候，供電電壓U加在A相繞組上，電流開始上升，對應(yīng)的等效電路中，R和L為等效阻抗，E為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，A相繞組切割磁感線產(chǎn)生的反向電動勢，反電動勢反作用在繞組回路上。一旦電流值達(dá)到所設(shè)定的“臺階”值時，就需要去減小電流，不然電流會繼續(xù)增加下去，這將會超過這個“臺階”所設(shè)定的值。這個時候就需要用到慢衰 slow decay。

關(guān)閉Q1，并打開Q2（忽略死區(qū)時間），此時相當(dāng)于A相繞組被短路，由于電機(jī)感性負(fù)載，電流方向不會突變，電流在兩個下管形成環(huán)流，只有反電動勢E作用在回路上，電流受到反向的壓降-E并開始下降。如果忽略掉阻值帶來的壓降，我們可以認(rèn)為此時電流以-E/L的速度下降。

當(dāng)電流下降一段時間后，關(guān)閉Q2開啟Q1，重新讓電流開始上升，如此循環(huán)，電流就能穩(wěn)定在這個“臺階”所設(shè)定的值上。

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那么當(dāng)電流要進(jìn)入下一個下降“臺階”的時候，電流需要進(jìn)一步下降，如果電流下降的速度不夠快，就需要比較長的時間，那么慢衰的速度可能是不夠，這就需要用到快衰 fast decay 了。（見圖5）

圖5：A相全橋驅(qū)動快衰 fast decay 過程

快衰是在關(guān)閉Q1和Q4后，打開Q2和Q3（忽略死區(qū)時間），此時供電電壓反向加在A相繞組上，再疊加上同樣反向加在繞組上的反電動勢E，電流同樣因?yàn)楦行载?fù)載不會突變，電流從Q2流向Q3，此時電流將以-（E+U）/L的速度下降，所以電流會比慢衰下降得更快。

當(dāng)電流降到下一個“臺階”的設(shè)定值后，電流調(diào)節(jié)就可以重新從快衰變成慢衰。這樣子合理地去運(yùn)用慢衰和快衰，被控制的電流可以做到響應(yīng)既快，紋波又小。我們來看看只用快衰，慢衰，以及結(jié)合快衰和慢衰的電流波形。其中，綠色波形為電流波形。（見圖6）

圖6：不同電流控制下的電流波形圖

可以看到只有快衰 fast decay，由于快速下降的電流，當(dāng)電流需要穩(wěn)定在平臺上的電流紋波會較大；只有慢衰 slow decay，由于較慢的下降速度，當(dāng)電流需要下到下一個臺階時間較長，導(dǎo)致波形有點(diǎn)畸變。

結(jié)合快衰 fast decay 和慢衰 slow decay，在穩(wěn)定住所設(shè)定的臺階值的時候用慢衰 slow decay，在需要電流快速下降到下一個臺階值的時候用快衰 fast decay，電流將會被控制得更好。

這樣一來，步進(jìn)電輸出的力矩平滑性也會更好。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動振動更小，噪聲更小。

這就是細(xì)分控制的意義！如果步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度過快，將會出現(xiàn)失步，關(guān)于如何解決這一問題，這里先挖一個坑，我們會在下一季的電源小課堂中和您深入探討，敬請期待！