测试/特殊项目组经理Haydon Kerk Motion Solutions, Inc.康涅狄格州沃特伯里
步进电机的驱动器继续超越基本的L/R型驱动器。
一个典型的直线运动控制系统有几个基本组件，包括电机、执行器、控制器和驱动器。驱动器类型在整个系统中起着重要的作用。下面介绍最基本的驱动器配置，包括直升机驱动器的最新进展。
Haydon Kerk公司的IDEA可编程执行器是尖端智能直升机驱动技术的一个例子。IDEA由先进的微步斩波驱动器和智能可编程控制器组成，该控制器安装在混合步进电机线性执行器的后部，是一个完全集成的包。
定义L/R类型驱动器
L/R型驱动器是电压源驱动器，其中L表示电感，R表示电阻。电感是一种主要与电感有关的电参数，电感是缠绕在芯材上的线圈，芯材可以是金属的，非金属的，固体的，液体的，甚至空气的。典型的电感器是变压器、扼流圈和电机线圈(包括步进电机和步进电机线性执行器中的绕组)。在电路中有一个叫做电感抗的相关参数，它会阻碍相对于电压频率的电流流动。它可以被认为是一个“动态电阻”，随着频率的增加，增加和阻碍更多的电流流动。机械领域中与电感类似的是惯性原理。
电阻也阻碍电流在电路中的流动，但它是一个恒定的值，不受电压或电流的频率值的影响。步进电机线圈的电阻从静止到最大步进频率基本上保持相同，只有由于温度的微小波动。电阻的机械等效物是系统中的摩擦力。
步进电机制造商提供各种线圈额定电压。对于L/R类型的驱动器，您设置驱动器的输出电压(在电机引线测量)等于步进电机的额定电压。由于功率晶体管之间的电压下降，驱动电源的电压水平将被设置得略高。电感与电阻之比(L/R)决定了电流以给定的步进速率(或频率)每秒的步数通过绕组。L/R = 1时间常数，约等于最终稳态电流的63%。在静止状态下，进入绕组的最大电流仅由线圈电阻决定。当频率为零时，由电感引起的阻抗效应为零。这是由于最大安培匝数，电机有最大转矩(保持转矩)的情况，定义为:
THα N x I
地点:
TH=保持力矩
N =电机线圈的匝数
I =电流
随着步进速率的增加，线圈的电感电抗(Xl)也根据公式增加:
Xl= 2πfL
地点:
Xl=感抗
F =频率(步进速率)
L =电机线圈的电感
对于恒压源L/R型驱动器，电机电流随着总阻抗(Xl+ R)增加。
因为扭矩，无论是静态的还是动态的，都取决于安培匝数，所以步进电机或步进电机线性执行器的输出性能随着速度的增加而下降。影响电机性能的另一个因素是转子在磁场中旋转时产生的反电动势(电动势)。电机也有发电机的作用。高阶跃率可能产生峰值反电动势水平接近或超过L/R驱动器输出电压水平。用来部分补偿这些影响的一种方法是通过增加外部串联电阻和提高电源电压来提高电感电阻(L/R)比。一些常见的配置是L/2R和L/4R驱动程序。由于各自的电压源必须是原来的两倍或四倍，因此效率显著下降，更多的功率作为热浪费在外部电阻中。
L/R驱动器的类别:单极和双极
单极驱动器具有简单的输出配置，由于相对较低的扭矩输出和低效率，因此很少使用。与双极驱动器相比，在相同的功率下，单极驱动器有助于减少约30%的扭矩。在单极驱动中，只有一半的相位绕组一次通电，而在双极驱动中，整个相位绕组一次通电。
单极驱动器配置。注意，电机相位绕组是中心抽头，因此允许电流一次只通过一半相位绕组。
双极驱动器配置。
双极驱动器有更复杂的输出级。许多新的专门集成电路已经降低了成本，使双极驱动器更容易负担得起。输出配置为“h桥”，允许相位电流反转。与单极配置中仅在一半绕组中开关相电流不同，在双极驱动中流经整个电机绕组的电流是反向的。在给定帧大小步进电机的相同功率下，双极驱动器/电机配置可以产生比单极驱动器/电机组合更大的静态和动态扭矩。
斩波驱动
斩波这个术语指的是将相对较高的电压快速切换到绕组上或断开的方法。这种开关输出电压的技术控制着每相的平均电流。
有几个步骤涉及到选择直升机驱动器。首先，选择输出电压相对于要驱动的步进电机额定电压较高的电源。高可用电压补偿增加线圈阻抗由于上升的感抗电机速度增加。电源与电机线圈的电压比为8:1或更高将在较高的电机转速下提供最佳性能。其次，建议采用具有相应低电感线圈的低压步进器。直线型电机电源与这些驱动器工作良好。第三，几乎所有的直升机型驱动器都是双极结构，利用整个电机绕组，从而提高扭矩。即使单极步进电机也可以用这些双极斩波器驱动，只要他们的额定线圈电压不是太高。六引线单极电机将作为四引线连接，不连接中心抽头引线。使用八引步进器，可以将每相的两个线圈串联(特别是低压线圈)或并联。 Because inductance changes as the square of the number of turns, putting two coils in series yields four times the inductance. Stepper motor performance improves at the higher speeds, as compared to an L/R type drive, due to the chopper drive’s method of monitoring and controlling motor current throughout the usable speed range.
为了控制通过相位绕组的平均电流，这种驱动技术将高输出电压“切”开和关。大多数斩波器使用固定的斩波频率约为20千赫或更高。这有助于保持系统噪音低，因为斩波频率高于可听到范围。基于这个恒定的固定斩波频率，通过改变这些重复输出脉冲的脉宽来控制平均输出电流，这种技术被称为脉宽调制(PWM)。
输出电流通过一个小欧姆值串联感应电阻的电压水平与表示电机额定电流的设定电压进行比较来监测。在典型的20khz波形的每个周期中，当电流通过电机绕组增加时，通过感知电阻的电压开始上升。一个电子比较器持续监测该电压水平;当它等于设定的参考电压时，它关闭输出电压，直到下一个20千赫周期的开始。每个电机绕组中的电流随着电压源的开关在每个周期中建立和衰减，产生适当的每相平均电流。
当电机的步进速率或速度增加或减少时，相应的绕组阻抗和斩波驱动电子设备有助于补偿这种影响。在较慢的速度(较低的绕组阻抗)下，电压源每周期的接通时间相对较短(小脉冲宽度)。在更高的速度(更高的绕组阻抗)，每个周期的接通时间更长，以允许电流增加到适当的水平(大脉冲宽度);这就是脉冲宽度调制这个术语。
直升机驱动器的进展
斩波驱动器现在被选择为大多数新的步进电机直线执行器的应用，在这种驱动技术已经不断进步。例如，在输出功率级中使用低电阻场效应晶体管(fet)提高了系统效率，减少了驱动器内的功率损耗，这也减少了所需的散热器面积和驱动器包的物理尺寸。此外，新的功率级电路可以提供低压、低电感电机所需的更高的相电流，这可以在更大的速度范围内产生改进的性能。增强相电流控制提高电机性能，如自动提供增强的电流水平在加速和减速斜坡，或整形，以减少系统的整体共振。
其他进步包括多级微步进(电子将一个完整的步进分割成更小的增量)，以增加电机分辨率，减少电机共振，并降低电机在运行时的可听声音水平。此外，通过使用机载微处理器集成智能控制器，允许执行实时运动功能，如带或不带斜坡的索引，并创建完整的交互式运动轮廓程序。这些程序可以下载到控制器上的非易失性内存中，然后独立运行，不与任何主机绑定。
在I/O领域，交互式光隔离输入和输出现在允许驱动器/控制器与运动控制系统中的其他设备和设备完全通信。智能控制器可以接受编码器反馈，可用于电机位置验证或速度控制。
海顿科克运动解决方案公司
www.haydonkerk.com
了下:工厂自动化，驱动(步进)+放大器，运动控制•电机控制，汽车•步进
告诉我们你的想法!