【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)是需要運(yùn)動(dòng)控制的工業(yè)系統(tǒng)中的重要組成部分。它們依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)解碼脈沖輸入并生成輸出電流。良好的控制系統(tǒng)使用特定的算法為電機(jī)繞組產(chǎn)生電流，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的增量。該算法控制速度、位置、步長(zhǎng)分辨率和效率。脈寬調(diào)制 (PWM) 和正弦控制等控制方法可生成運(yùn)動(dòng)控制所需的電流。
步進(jìn)電機(jī)是需要運(yùn)動(dòng)控制的工業(yè)系統(tǒng)中的重要組成部分。它們依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)解碼脈沖輸入并生成輸出電流。良好的控制系統(tǒng)使用特定的算法為電機(jī)繞組產(chǎn)生電流，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的增量。該算法控制速度、位置、步長(zhǎng)分辨率和效率。脈寬調(diào)制 (PWM) 和正弦控制等控制方法可生成運(yùn)動(dòng)控制所需的電流。
脈寬調(diào)制的工作原理
PWM 是一種用于調(diào)節(jié)傳遞給電機(jī)等負(fù)載的電量的控制方法。這種方法改變了電脈沖的寬度，這對(duì)于電機(jī)控制至關(guān)重要。
在PWM中，微控制器、定時(shí)器或其他電路生成數(shù)字信號(hào)，通常是方波。產(chǎn)生的信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路放大，然后將其發(fā)送到負(fù)載。輸送到負(fù)載的功率取決于脈沖寬度。
占空比用于改變數(shù)字信號(hào)（關(guān)閉）的脈沖寬度。脈寬調(diào)制器通過(guò)將參考電壓與斜坡電壓進(jìn)行比較來(lái)控制脈寬，通常用于調(diào)整占空比。
圖 1. PWM 信號(hào)是原始信號(hào)（虛線）的實(shí)線方波。圖片由 Bob Odhiambo 提供
改變 PWM 信號(hào)的占空比可以調(diào)整提供的功率以實(shí)現(xiàn)控制，使其成為步進(jìn)電機(jī)的理想控制方法。
PWM 信號(hào)的類型
有兩種不同類型的脈寬調(diào)制 信號(hào)。
單端脈寬調(diào)制。 在單端脈寬調(diào)制中，微控制器生成具有變化占空比和固定頻率的方波信號(hào)。該頻率決定了發(fā)送脈沖的速率。脈沖的寬度就是其占空比。可以改變周期來(lái)定義脈沖處于高電平的時(shí)間相對(duì)于總周期時(shí)間的百分比。
差分脈寬調(diào)制。 在這種類型的 PWM 中，占空比由兩個(gè)波形控制。一種是具有變化幅度和相位的調(diào)制信號(hào)，另一種是占空比控制波形。使用占空比生成的波形基于調(diào)制信號(hào)，并使用模擬乘法器進(jìn)行組合。這種類型的 PWM 用于電機(jī)控制應(yīng)用中以實(shí)現(xiàn)控制。
占空比計(jì)算
占空比是脈沖寬度與周期的比率，對(duì)于控制步進(jìn)電機(jī)信號(hào)至關(guān)重要。
圖 2.脈沖寬度調(diào)制、幅度、脈沖寬度和周期對(duì)于計(jì)算脈沖占空比至關(guān)重要。圖片由 Bob Odhiambo 提供
要計(jì)算占空比，請(qǐng)使用以下公式：
[占空比,周期=frac{Ton}{Ton+Toff} imes 100\%]
其中Ton表示設(shè)備打開(kāi)或活動(dòng)時(shí)的情況，Toff表示設(shè)備關(guān)閉或不活動(dòng)時(shí)的情況。
Ton 和 Toff 也可以被視為 PWM 信號(hào)的高點(diǎn)和低點(diǎn)。
例如：
考慮一個(gè)設(shè)備在 10 秒內(nèi)打開(kāi) 2 秒然后關(guān)閉 8 秒。占空比可由下式確定
[任務(wù),周期=frac{2}{(2+8)} imes100\%=20\%]
該設(shè)備的占空比為 20%，使其有 80% 的總時(shí)間處于非活動(dòng)狀態(tài)。
正弦控制的工作原理
正弦方法是控制輸送到步進(jìn)電機(jī)的電壓的另一種方法。它很自然地做到這一點(diǎn)，就像交流電源中的正弦波形一樣。這種方法比 PWM 更平滑、更。
在正弦控制系統(tǒng)中，波形發(fā)生器生成具有固定幅度和頻率的正弦波。對(duì)于使用該波的步進(jìn)電機(jī)控制，電機(jī)位置的測(cè)量值被饋送到控制電路中以與正弦波進(jìn)行比較。
獲取電機(jī)測(cè)量值并將其與正弦波參考進(jìn)行比較后，通過(guò)修改 PWM 信號(hào)中脈沖的寬度和時(shí)序來(lái)調(diào)整輸送到電機(jī)的功率。該信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路放大并發(fā)送至電機(jī)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
正弦控制在控制步進(jìn)電機(jī)方面更加高效和，并且振動(dòng)和噪音。這種類型的控制可用于步進(jìn)電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器和逆變器。
比較 PWM 和正弦控制
下面是正弦控制和 PWM 控制的比較。
效率： 正弦控制可以更有效地提供電力，尤其是在高速運(yùn)行時(shí)，因?yàn)樗梢赃B續(xù)提供電力。這種類型的電力傳輸減少了系統(tǒng)中的熱量產(chǎn)生和電噪聲。
控制方法：正弦控制在調(diào)整功率輸出時(shí)匹配正弦波的形狀，而 PWM 的工作原理是快速打開(kāi)和關(guān)閉功率。
復(fù)雜性： PWM 控制通常比正弦控制更容易實(shí)現(xiàn)，正弦控制需要復(fù)雜的控制算法和額外的電路。正弦控制很難實(shí)施、設(shè)計(jì)和故障排除。
準(zhǔn)確性：正弦控制比 PWM 更準(zhǔn)確，因?yàn)樗梢詫?shí)時(shí)調(diào)整穩(wěn)定且更一致的功率傳輸，以匹配正弦波參考。
應(yīng)用： PWM用于步進(jìn)電機(jī)控制、電源轉(zhuǎn)換器和逆變器等應(yīng)用，而正弦控制用于高精度和高能效應(yīng)用，例如控制高性能系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)。
正弦波還是脈寬調(diào)制？
正弦控制和 PWM 控制都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。控制方法的選擇取決于應(yīng)用和要求。正弦控制可提供更平穩(wěn)、更且高效的電力傳輸，而 PWM 則可靠且易于實(shí)施。
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