步进电气角度细分控制的意义

PART2细分控制

在上集我们知道，半步步进模式是组合了单相步进和整步步进，从而获得了更多的电气角位置。

那么如果想要获得更多更细的步进电气角度，是不是加入更多的角度位置就可以实现了？其实这就是细分控制的想法。

图1：八细分电气角

这是细分控制中的八细分的例子（见图1），图中可以看到单相步进AàB这一个90度电气角度被等分成了8份，也就是有8个电流位置存在，每个位置的电流都是由A相绕组和B相绕组的电流在空间上矢量合成的，合成的幅值大小为单位1。我们将每个位置的电流分别投影到A相和B相上会获得右边的控制数值表（见表1）。

表1：八细分控制数值表

如果我们需要这个位置的电流，就按照数值表中对应的数值来控制A相和B相的电流，就能实现这一角度位置的电流控制，被控制的A相和B相电流就能合成对应角度的电流矢量。

在八细分的控制下，步进电机的电流会变成类正弦（见图2），A相和B相电流就像走台阶一样，按照每一个合成电流大小的数值走着。如果细分数更多，那么电流波形就更加趋近于正弦。正弦的电流波形将会减小电机输出力矩的波动，在空间上会形成圆形旋转的磁场，步进电机转动的稳定性就会增强。

图2：八细分控制下的A相B相电流波形

那么要如何进行每个电流台阶大小的调节，将电流稳定在这个数值上呢？

PART3电流调节

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通常为了将电流稳定在对应的数值上，会采用 slow decay 和 fast decay 的控制方法，我们取A相其中一段“台阶”来详细看看。图3为A相的电流调节波形图，这是通过控制A相的全桥驱动的四个管子的通断来实现（见图4）。

图3：A相电流调节波形图

图4：A相全桥驱动慢衰 slow decay 过程

当Q1和Q4开通的时候，供电电压U加在A相绕组上，电流开始上升，对应的等效电路中，R和L为等效阻抗，E为转子旋转时，A相绕组切割磁感线产生的反向电动势，反电动势反作用在绕组回路上。一旦电流值达到所设定的“台阶”值时，就需要去减小电流，不然电流会继续增加下去，这将会超过这个“台阶”所设定的值。这个时候就需要用到慢衰 slow decay。

关闭Q1，并打开Q2（忽略死区时间），此时相当于A相绕组被短路，由于电机感性负载，电流方向不会突变，电流在两个下管形成环流，只有反电动势E作用在回路上，电流受到反向的压降-E并开始下降。如果忽略掉阻值带来的压降，我们可以认为此时电流以-E/L的速度下降。

当电流下降一段时间后，关闭Q2开启Q1，重新让电流开始上升，如此循环，电流就能稳定在这个“台阶”所设定的值上。

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那么当电流要进入下一个下降“台阶”的时候，电流需要进一步下降，如果电流下降的速度不够快，就需要比较长的时间，那么慢衰的速度可能是不够，这就需要用到快衰 fast decay 了。（见图5）

图5：A相全桥驱动快衰 fast decay 过程

快衰是在关闭Q1和Q4后，打开Q2和Q3（忽略死区时间），此时供电电压反向加在A相绕组上，再叠加上同样反向加在绕组上的反电动势E，电流同样因为感性负载不会突变，电流从Q2流向Q3，此时电流将以-（E+U）/L的速度下降，所以电流会比慢衰下降得更快。

当电流降到下一个“台阶”的设定值后，电流调节就可以重新从快衰变成慢衰。这样子合理地去运用慢衰和快衰，被控制的电流可以做到响应既快，纹波又小。我们来看看只用快衰，慢衰，以及结合快衰和慢衰的电流波形。其中，绿色波形为电流波形。（见图6）

图6：不同电流控制下的电流波形图

可以看到只有快衰 fast decay，由于快速下降的电流，当电流需要稳定在平台上的电流纹波会较大；只有慢衰 slow decay，由于较慢的下降速度，当电流需要下到下一个台阶时间较长，导致波形有点畸变。

结合快衰 fast decay 和慢衰 slow decay，在稳定住所设定的台阶值的时候用慢衰 slow decay，在需要电流快速下降到下一个台阶值的时候用快衰 fast decay，电流将会被控制得更好。

这样一来，步进电输出的力矩平滑性也会更好。步进电机的转动振动更小，噪声更小。

这就是细分控制的意义！如果步进电机旋转速度过快，将会出现失步，关于如何解决这一问题，这里先挖一个坑，我们会在下一季的电源小课堂中和您深入探讨，敬请期待！

审核编辑：彭静