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精确的定位与流畅的运动兼顾,步进电机驱动升级

Robot Vision 来源:电子发烧友网 作者:李宁远 2022-02-08 08:00 次阅读
我们在讲起工业机器人的时候,步进电机出现的频率比起伺服电机会少很多。因为即便不考虑丢步,在绝大部分情况下,相较于伺服电机,步进的转速低,力矩小也会导致末端的额定负载上不去。不能只看到伺服控制在高速度,高响应,高精度这些表现上越来越出色,其实步进电机也有不容小觑的发展。

越来越多厂商推出一体化闭环电机,填补开环的步进电机和高性能伺服电机中间阶段的空白。步进电机做闭环,这是以前不敢想象的。同时如何解决丢步与过冲的问题,也是步进电机驱控能力的体现。现在的步进电机,都有了闭环精确的定位与流畅的运动曲线,这些步进电机背后强大的电机驱动器又是怎样的。

STSPIN

无疑ST最典型的电机控制芯片STM32,视情况加或者不加FPGA/CPLD,适用于单轴控制,这种方案在低成本驱动器中十分常见。市面上中端主流通用型的比较常见的则是STM32F4+FPGA的异构架构,适用于单轴或者双轴方案。但这里我们不说这个已经有些老掉牙的驱动方案,我们看看STSPIN电机控制系列。
(图源:ST)

STSPIN电机控制IC系列产品以模块化、可扩展、稳健性著称。能够为设计者们提供满足不同需求和系统架构的多种解决方案,最大限度保证了设计的灵活性。同时为应对工厂苛刻的自动化环境,驱动内都内置有完整的保护和诊断方案,保证了可靠性和稳定性。

具体到驱动型号来看,STSPIN220是一个兼顾了精确的定位和流畅的运动曲线的极为出名的步进驱动。STSPIN220在小型VFQFPN 3 x 3 x 1.0 mm封装中集成了控制逻辑和低RDS(on)功率级。集成的控制器会利用固定关断时间和高达1/256步进的微步进分辨率实现PWM电流控制。

STSPIN220的RDS(on)典型值仅有0.4Ω,最大输入电流为1.3A,工作电压1.8至10 V,是业内出名的高达256微步的低电压驱动。该器件可强制进入零功耗状态,从而可显著延长电池使用寿命。该器件还能提供过电流保护、过温保护和短路保护这一整套保护机制。整个器件待机耗电量不足80 nA,既实现了节能,又延长了电池使用寿命。

运动引擎和SPI的完全集成微步进电机驱动

这一类步进电机驱动,集成了SPI、运动引擎和高级电流控制,是功能极为全面的步进驱动器。这一类步进驱动,往往没有STSPIN220系列那种高达256的微步,但在功能覆盖上更为全面。

我们仍旧从ST的产品矩阵中来看,L647x系列均是全集成的步进驱动系列,不同系列除了微步会有差别,功能集成都是类似的。L647X采用了模拟混合信号技术,作为全集成的解决方案适用于驱动带微步进的两相双极步进电机。
(图源:ST)

因为这个系列有独特的控制系统,L647x实现了1/128步分辨率。数字控制核心可以生成用户定义的带有加速度、减速度、速度或目标位置的运动轮廓,并通过专用寄存器集轻松编程。所有命令和数据寄存器,包括电流控制值、电流保护跳闸点、死区时间、PWM频率等等这些所有命令均通过标准5 Mbit/s SPI发送。

除了控制系统的独特,L647x集成了一个RDS(on)DMOS全桥,所有的电源开关都配备了一个精确的片上电流传感电路,峰值电流7A,适用于非耗散电流控制和过电流保护。除了过电流保护,热保护、低母线电压保护、电机失速保护这些功能也都内置在驱动上,满足最苛刻的电机控制应用的要求。除此之外,这种全集成的步进驱动还能提供无传感器的失速检测

结语

总的趋势来看步进电机是朝着闭环或者说混合的方向在发展。这种趋势会使步进系统逐渐进入高精度要求的电机控制中,大大填补开环步进和高性能伺服中间断档的空缺。
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