微步步进电机时电流调节的技巧

我有一个朋友喜欢世界各地的最新技术。带着对 3D 打印机的狂热，他最近邀请我去他的公寓欣赏他的新杰作，一台自制的 3D 打印机。嗯，他确实很好地为我打印了一只三条腿半个头的小狗，但真正引起我注意的是他的打印机在制作小狗时发出的小声响。因此，在赞扬了他的出色工作之后，我们花了一些时间讨论导致这种噪音的原因。我们的结论是，3D 打印机内部的步进电机在进行微步进以完成小狗的精细切割时会发出所有噪音。讨论很有成效，所以我想在这里与您分享我们的发现。

对步进电机进行微步进以在系统中实现更好的分辨率是工业界的一种常见方法。步进电机的运动是由通过电机线圈的励磁电流引起的，由于目标是将一个完整的电机步进分成多个微步，因此“操作方法”部分的任务非常简单——只需生成多个当前水平。这就是步进电机控制中的所谓“电流调节”。

下图显示了电机线圈如何由四个MOSFET或“H 桥”驱动。由于线圈基本上是一个电感器，因此当 MOSFET 导通并在线圈上产生电压时，线圈电流会增加。当电流达到与所需微步相匹配的水平时，MOSFET 被关闭，线圈上的电压被移除。由于电感器的特性，电流沿替代路径重新定向，幅度减小。当电流衰减到一定水平时，MOSFET 再次开启并重复相同的过程以将峰值电流保持在所需水平，直到电机需要移动到需要新电流水平的下一个微步。

上面显示的两种替代电流衰减路径为我们提供了不同的衰减摆率：逆全电源极性流动的电流导致更快的速率，称为“快速衰减”，而重定向通过两个电阻 FET 的电流经历与 (L x 2R)，因此称为慢衰减。

下面是两种电流衰减模式之间的比较。两个图都显示了相同的峰值电流和衰减时间，但快速衰减具有更大的电流纹波，因为它具有更高的压摆率。这可能会导致电机运行时产生更大的噪音、更多的热量和更差的 EMI——这就是我朋友的 3D 打印机上噪音的来源。另一方面，如果你旋转你的马达非常快速且快速地从一个微步级别过渡到另一个，快速衰减可以帮助您快速稳定电机电流。一般来说，当整体电机电流呈增加趋势时使用慢衰减，因为给电感器充电总是很容易，并且您希望获得最佳噪声性能，而当电流趋势快速减小时使用快速衰减，以便可以在移动到下一个微步骤之前足够快地安顿下来。

快速和慢速衰减的混合称为混合衰减，其中电流衰减开始快速，并且在一定时间后切换到慢速。这种方法在纹波(以及电机噪声)和电流稳定时间之间进行权衡，从而产生更好的电机性能。

市场上的许多集成步进电机驱动器都支持三种衰减模式(即快速、慢速和混合)，但我建议查看 TI 的新型高性能步进电机预驱动器DRV8711。除了这三种模式之外，它还有第四种衰减模式，称为“自动混合衰减”，设备在运行过程中会自动选择一种衰减模式。在这种方法中，在最小 FET 导通时间 (tON_min) 结束时对电机电流进行采样，并根据电流检测结果采用不同的衰减模式。要对此有一个大致的了解：

如果电流低于所需的峰值电流 (Ipk)，它会继续增长，直到达到目标 Ipk 水平;一旦到达那里，就会发生缓慢的衰减(如下图所示)

如果检测到电流高于所需的 Ipk 水平，则快速衰减立即启动并持续一段时间 tFAST 以避免电流失控，并且在 tFAST 结束时缓慢衰减接管剩余的电流衰减周期(参见下图)。这种方法会自动优化每个电流级别的电机性能，并为设计中的任何电机提供最佳结果。

手动调节微型步进电机的电流并不容易，但是由于集成了电机控制器IC，生活变得更加轻松!至少现在您将知道如何在下次构建自己的 3D 打印机时减少噪音。然后你可以用集成的步进电机控制器修复我的半头小狗!