步進(jìn)電機(jī)在基于計(jì)算機(jī)和微控制器的位置控制應(yīng)用中很流行,例如機(jī)器人技術(shù),工業(yè)自動化,CNC機(jī)器,3D打印機(jī)和攝像機(jī)控制。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單且連接線數(shù)量有限,因此步進(jìn)電動機(jī)看上去看似簡單。在網(wǎng)上常能看到,甚至還有很多關(guān)于如何使用老式L293D驅(qū)動器IC和Arduino控制步進(jìn)電機(jī)的教程,但是對于嚴(yán)肅的應(yīng)用,一切都取決于電機(jī)驅(qū)動器的質(zhì)量和功能。
常用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器類型
可拔插驅(qū)動模塊

如果您從事涉及步進(jìn)電機(jī)的愛好項(xiàng)目,或者正在構(gòu)建3D打印機(jī),則可能熟悉可拔插驅(qū)動模塊。它們由一個帶有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器IC的小型PCB和排針連接器組成,可將模塊插入較大的電路板。
可拔插驅(qū)動模塊種類很多,可從多家半導(dǎo)體制造商的驅(qū)動器IC中進(jìn)行選擇。一些高端的則是圍繞Trinamic步進(jìn)驅(qū)動器IC構(gòu)建的所謂SilentStepSticks,其中TMC2100和TMC2130是最受歡迎的。
這些SilentStepSticks是3D打印應(yīng)用程序的理想選擇,尤其是在長時間的打印作業(yè)中。使用較不高級的驅(qū)動程序時,步進(jìn)電機(jī)的噪音可能很快會令人煩惱。SilentStepSticks不僅可使打印機(jī)安靜運(yùn)行,而且還有助于獲得更好,更平滑和更一致的打印結(jié)果。
除了標(biāo)準(zhǔn)的Enable,Step和Dir信號之外,基于TMC2130和TMC5160的還具有SPI接口,該接口可用于調(diào)整和配置多個驅(qū)動器參數(shù)?,F(xiàn)代3D打印軟件比如Marlin支持這些驅(qū)動程序,甚至可以在打印過程中通過SPI接口自動調(diào)整電機(jī)驅(qū)動器,以達(dá)到最佳效果。
盡管可拔插驅(qū)動模塊很小并且易于更換,但它們也有許多缺點(diǎn)。由于尺寸非常小,大多數(shù)驅(qū)動器IC都使用集成MOSFET,即使在頂部沒有散熱片的情況下,容易過熱。在像CNC這樣要求更高的應(yīng)用中,這主要是一個問題。
此外,可拔插驅(qū)動模塊不提供電動機(jī)電源和控制信號之間的電氣隔離,從而使其不適用于復(fù)雜的運(yùn)動控制系統(tǒng)。
工業(yè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

工業(yè)驅(qū)動器通常用于廣泛的應(yīng)用,并且大多位于帶有接線盒的外殼中,該接線盒用于連接電源,電動機(jī)導(dǎo)線和控制信號。通常,外殼也會用作內(nèi)部電子設(shè)備的散熱器。一些驅(qū)動器外殼甚至適合直接安裝在步進(jìn)電機(jī)的背面。通常使用DIP開關(guān)完成主要驅(qū)動器參數(shù)(如微步距和電動機(jī)電流)的配置。更高級的驅(qū)動程序還提供用于配置和調(diào)整電動機(jī)參數(shù)的串行端口或USB接口。
工業(yè)驅(qū)動器傾向于具有光耦合器輸入,從而為控制信號(使能,步進(jìn)和Dir信號)提供電隔離。一些驅(qū)動程序使用ModBus(甚至CAN總線)來控制電動機(jī)的位置,速度和方向。
概括地說,有兩種驅(qū)動程序類型可用:開環(huán)和閉環(huán)。后者使用旋轉(zhuǎn)編碼器將電機(jī)軸位置反饋給驅(qū)動。如果電動機(jī)在某些負(fù)載條件下失步,則可以提供更高的精度和補(bǔ)償。如果需要驅(qū)動多個步進(jìn)電機(jī),也可以選擇多軸電機(jī)驅(qū)動器。
Trinamic TMC2160電機(jī)驅(qū)動器IC
我們的“金剛狼”數(shù)控龍門機(jī)器人(在第1部分和第2 部分中發(fā)布)基于Eding CNC的CNC310控制板。由于CNC310板需要外部步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,因此我們考慮使用基于Trinamic IC的驅(qū)動器。這將使CNC龍門機(jī)器人能夠安靜地運(yùn)行,這在將機(jī)器用作SMT組件的拾取和放置機(jī)器時尤其重要。
最初,我們使用TMC2100和TMC2130 SilentStepSticks進(jìn)行了一些快速測試,但這些測試無法完成任務(wù),并且會迅速過熱。取而代之的是,我們研究了全新的TMC2160,它使用外部MOSFET,并設(shè)計(jì)用于耗電較大的應(yīng)用(圖1)。
可以使用TMC2160轉(zhuǎn)接板,但是不幸的是,僅通過SPI可以配置電動機(jī)驅(qū)動器參數(shù),而CNC310板不支持該功能。此外,控制信號與電動機(jī)電源之間也沒有電隔離。
最后,我們設(shè)計(jì)了自己的基于TMC2160的驅(qū)動器,該IC以獨(dú)立模式運(yùn)行,并具有用于控制信號的光耦合器輸入。這允許使用DIP開關(guān)設(shè)置電動機(jī)驅(qū)動器參數(shù)。
大多數(shù)現(xiàn)代的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器(如TMC2160)都是所謂的斬波器驅(qū)動器,它們可以快速接通和斷開相對較高的電壓(通常是額定電動機(jī)電壓的八倍,以達(dá)到最佳效果)。該技術(shù)允許控制每相的平均電流。大多數(shù)斬波驅(qū)動器在20–50kHz范圍內(nèi)使用斬波頻率。由于斬波頻率高于可聽范圍,因此噪聲水平保持較低。在恒定的固定斬波頻率下,通過改變輸出脈沖的脈沖寬度來控制平均輸出電流,這種技術(shù)稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。
除了經(jīng)典的恒定停機(jī)時間斬波器外,TMC2160還具有兩種復(fù)雜的SpreadCycle和StealthChop2斬波器模式,可確保無噪音運(yùn)行,并具有最高效率和最佳電機(jī)轉(zhuǎn)矩。
StealthChop2是基于電壓斬波器的原理。它特別保證了電動機(jī)在靜止和慢速運(yùn)行時均保持安靜,但滾珠軸承會產(chǎn)生噪音。與其他電壓模式斬波器不同,stealthChop2不需要任何配置。在加電后的第一個動作期間,它會自動學(xué)習(xí)最佳設(shè)置,并在隨后的動作中進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)置。初始?xì)w位序列足以進(jìn)行學(xué)習(xí)。StealthChop2通過立即對電動機(jī)速度的變化做出反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)了較高的電動機(jī)動態(tài)性能。
SpreadCycle是高級逐周期斬波器模式。它在廣泛的速度和負(fù)載范圍內(nèi)提供平穩(wěn)的運(yùn)行和良好的共振阻尼。SpreadCycle斬波器方案可自動集成并調(diào)整快速衰減周期,以確保平滑的過零性能,并在低振動下實(shí)現(xiàn)高動態(tài)和最高峰值速度。
TMC2160的其他進(jìn)步包括MicroPlyer階躍插值,用于中頻諧振的諧振阻尼,DcStep負(fù)載相關(guān)的速度控制,StallGuard高精度無傳感器電動機(jī)負(fù)載檢測以及CoolStep電流控制,可節(jié)省多達(dá)75%的能量。有關(guān)更多信息,請參考TMC2160產(chǎn)品頁面和數(shù)據(jù)手冊。
下面為電路圖:

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