L9942反電動勢堵轉(zhuǎn)檢測算法

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1L9942的微步模式

L9942（步進(jìn)電機(jī)）（控制器）具有全步、半步和微步模式。微步模式提供32個可（編程）（電流）調(diào)節(jié)步進(jìn)，步進(jìn)角度超過360°。這意味著每個象限有8個不同的電流水平。

圖1L9942的微步模式

每一步電流都由PWM控制調(diào)節(jié)，PWM開啟時間由（振蕩器）固定，關(guān)閉時間由測量的電流設(shè)置。通過查找表將（高壓）側(cè)開關(guān)提供的內(nèi)部電流鏡反饋與預(yù)設(shè)（可編程）電流值進(jìn)行比較。當(dāng)相位中的電流與查找表中的值匹配時，相位將關(guān)閉，直到下一次PWM接通。因此，通過輸出的PWM控制，電流正弦波以32步近似。這也適用于半步和全步操作模式。

圖2L9942電流調(diào)節(jié)框圖

2通用（電機(jī)）概念

電機(jī)電壓可以用一個由（電阻）、電動和電感三個分量組成的方程表示。

公式1

電阻分量（Rwindings）在確定預(yù)期的堵轉(zhuǎn)電流方面起著很大的作用。當(dāng)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)時，唯一限制電流的是繞組電阻。

當(dāng)應(yīng)用PWM（信號）時，電機(jī)（Lwindings）的電感被利用。當(dāng)設(shè)置PWM頻率時，電感會產(chǎn)生恒定或平滑相位的電流，以便電感在PWM關(guān)閉期間支持繞組中的電流。

BEMF是當(dāng)永磁電樞在定子內(nèi)部（或周圍）旋轉(zhuǎn)時，電機(jī)產(chǎn)生的電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，繞組會經(jīng)歷一個變化的磁場，這種變化的磁場會產(chǎn)生與變化磁場速度直接相關(guān)的BEMF電壓。

電機(jī)中有兩個普遍的概念總是正確的。第一個是BEMF與電樞速度成正比，實(shí)際上，沒有其他任何概念。反電動勢方程很清楚地說明了這一點(diǎn)：

公式2

其中：

N是線圈匝數(shù)B代表磁場A是電機(jī)磁場包圍的區(qū)域面積ω是角速度請注意，N、B和A都是特定于電動機(jī)結(jié)構(gòu)的常數(shù)。它們不會改變。最終結(jié)果是反電動勢（EMF）與電機(jī)速度（ω）成正比。

下一個通用概念是電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流之間的關(guān)系。同樣，方程式清楚地描述了這一點(diǎn)：

公式3

其中：

N是線圈匝數(shù)P是極數(shù)θ是磁通量再次注意電流（I）和轉(zhuǎn)矩（T）是成正比的。還有其他影響電流的因素，如銅的溫度和電阻率。銅電阻率提高了轉(zhuǎn)矩電勢（冷態(tài)）或限制了轉(zhuǎn)矩電勢差（熱態(tài)），但不會改變轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系。

2.1適用于步進(jìn)電機(jī)的通用電機(jī)概念

步進(jìn)電機(jī)通常是恒流驅(qū)動系統(tǒng)（譯者注：原文是Asteppermotoristyp（ic）allyafixedcurrentsystem.）。如果進(jìn)入電機(jī)的固定電流產(chǎn)生固定扭矩，則步進(jìn)電機(jī)如何在固定驅(qū)動電流、固定轉(zhuǎn)速的情況下，適應(yīng)各種負(fù)載和扭矩？答案是，自動調(diào)整反電動勢相對于驅(qū)動電流的相位。

電流根據(jù)前面的方程產(chǎn)生扭矩。施加扭矩的方向取決于外部負(fù)載。對于輕負(fù)載步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩僅有一小部分用于驅(qū)動負(fù)載，而很大一部分用于降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了永遠(yuǎn)不超過指令轉(zhuǎn)速，電流首先驅(qū)動電機(jī)加速，然后制動電機(jī)減速。對于空載電機(jī)，輸出軸輸出的總扭矩為零。

轉(zhuǎn)子位置也是轉(zhuǎn)子磁場相對于定子磁場的位置指示。轉(zhuǎn)子磁場固定在轉(zhuǎn)子上，并隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。定子磁場與定子中的電流有關(guān)?！罢彪娏鳟a(chǎn)生“正”磁場，反之亦然。

圖3無負(fù)載電機(jī)的BEMF相位移動

電機(jī)加載時，反電動勢移動，將更多扭矩轉(zhuǎn)換為向前運(yùn)動。

圖4部分負(fù)載電機(jī)的BEMF相移

在部分負(fù)載的電機(jī)中，反電動勢發(fā)生了變化，以增加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩占制動轉(zhuǎn)矩的百分比。隨著外部載荷的增加，這種變化會繼續(xù)，直到載荷超過潛在扭矩能力。此時，（電氣）旋轉(zhuǎn)和（機(jī)械）旋轉(zhuǎn)之間的同步停止，將會造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)。

下圖中，在滿載電機(jī)中，扭矩需求增加，在反電動勢進(jìn)一步移動的瞬間，輸出扭矩減小，最后電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。

圖5滿負(fù)載電機(jī)的BEMF相移

上圖中注意到：注意電流和BEMF的完全對齊（譯者注：指的是相位相同）。

3LP9942堵轉(zhuǎn)檢測方法

3.1（電流檢測）

L9942具有通過查看電機(jī)電流上升時間來（檢測）堵轉(zhuǎn)的功能。

堵轉(zhuǎn)期間，由于沒有BEMF，電機(jī)電流升高。缺乏BEMF會產(chǎn)生兩種影響。首先，反電動勢缺失會導(dǎo)致電機(jī)相電阻兩端的電壓變大，最終導(dǎo)致電機(jī)繞組中的電流增大（譯者注：原文為itincreasesthepo（te）n（ti）alcurrentinawindingatagivenvoltageperOhm'slaw）。其次，它增加了繞組電流的變化率，因?yàn)殡姼兄须娏鞯淖兓俾逝c電感兩端的電壓成正比。在電機(jī)繞組中只有很少或沒有BEMF時，電流會快速上升。

圖6典型的電機(jī)相繞組部件

然而，L9942通過在達(dá)到預(yù)編程電流閾值時關(guān)閉相位來調(diào)節(jié)電機(jī)相電流。因此，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時，電機(jī)電流不會產(chǎn)生尖峰電流（譯者注：尖峰電流指的是spike）。當(dāng)電流控制（算法）補(bǔ)償BEMF的損失時，占空比減小到相當(dāng)小的值。因此，L9942通過觀察并報(bào)告給定指令電流的異常低占空比來檢測BEMF的損失。

這種方法的困難在于，有許多與電機(jī)電流相關(guān)的參數(shù)可以在步進(jìn)電機(jī)的正常工作空間內(nèi)移動。溫度、電池電壓、負(fù)載或扭矩等因素會對電流調(diào)節(jié)占空比產(chǎn)生重大影響。不幸的是，正常光譜一端的工作點(diǎn)可能看起來像另一端的堵轉(zhuǎn)電機(jī)（譯者注：原文是：Unf（or）tunately,theoperatingpointatoneendofthenormalspectrum（can）looklikeastalledmotorattheotherend.沒有弄懂要表達(dá)什么意思）。這些重疊的參數(shù)使得通過電流占空比來檢測堵的方法測變得不可靠。

為了最小化電機(jī)電阻、電池電壓和溫度的影響，堵轉(zhuǎn)檢測算法可以直接查看BEMF。

3.2BEMP檢測說明

通過對比非堵轉(zhuǎn)操作期間的一個步進(jìn)電機(jī)相位的線圈電流和感應(yīng)BEMF電壓，可以看出電流和BEMF壓力之間存在90°的相位差。

圖7反電動勢和相電流

BEMF堵轉(zhuǎn)檢測算法利用了這一現(xiàn)象。當(dāng)電機(jī)電流從一個極性過渡到另一個極時，有一步的電流通常設(shè)置為0A。因此，當(dāng)階躍電流為零時，檢查BEMF不會干擾電機(jī)的控制。

圖8主動步進(jìn)電機(jī)上的反電動勢波形

在電流為零或接近零的空載電機(jī)繞組中，BEMF最強(qiáng)。

當(dāng)您考慮電機(jī)負(fù)載對BEMF相位的影響時，就會出現(xiàn)問題。由于此算法僅在相位未驅(qū)動時查找BEMF，因此“查找”窗口非常短。當(dāng)電機(jī)加載時，BEMF移動，使其更符合驅(qū)動電壓/電流。因此，電機(jī)負(fù)載給BEMF檢測增加了一些變化。堵轉(zhuǎn)邊緣的滿載電機(jī)看起來與完全堵轉(zhuǎn)的電機(jī)相同。幸運(yùn)的是，步進(jìn)電機(jī)不打算用那么多負(fù)載驅(qū)動。

3.2.1步進(jìn)電機(jī)上的BEMF

為了更容易地看到轉(zhuǎn)矩對反電動勢的影響，以下是一個以全步進(jìn)模式驅(qū)動的電機(jī)。下圖9顯示了在全步進(jìn)模式下驅(qū)動的空載電機(jī)。紅色是電流，紫色是相位上的電壓。細(xì)黑線估計(jì)反電動勢。

圖9以全步進(jìn)模式驅(qū)動的空載電機(jī)

在空載電機(jī)中（圖9），反電動勢引導(dǎo)相電流。這表明旋轉(zhuǎn)磁場提供的能量比保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所需的能量更多。反電動勢電壓的不規(guī)則形狀表明在360°循環(huán)中存在旋轉(zhuǎn)加速和減速。

在負(fù)載水平較高的電機(jī)中（圖10），反電動勢信號與實(shí)際（驅(qū)動器）信號更加一致。換句話說，原因和結(jié)果之間的相位差較小。如果負(fù)載增加到一定水平以上，則在驅(qū)動電機(jī)時可能會出現(xiàn)階躍損耗。

圖10以全步進(jìn)模式驅(qū)動的負(fù)載電機(jī)

使用步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)會大幅度過驅(qū)動電機(jī)（譯者注：這里指的是在額定電流下，驅(qū)動電流對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩要大于負(fù)載，且要留有較大余量），以確保在所有正常操作條件下不會堵轉(zhuǎn)。

3.2.2堵轉(zhuǎn)電機(jī)上的BEMF

將圖9和圖10與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子波形（圖11）進(jìn)行比較，說明堵轉(zhuǎn)電機(jī)和運(yùn)行電機(jī)之間的差異。同樣，這些數(shù)字是使用全步進(jìn)電機(jī)完成的，以更好地說明這些條件下的BEMF。

圖11硬堵轉(zhuǎn)模式下的電機(jī)

圖11顯示了在非驅(qū)動間隔期間幾乎沒有反電動勢。這是可以理解的，因?yàn)锽EMF是轉(zhuǎn)子運(yùn)動的直接結(jié)果。如果堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子中有一些移動，則可以看到BEMF（圖12）。圖12顯示了“松散”堵轉(zhuǎn)電機(jī)中BEMF的不規(guī)則性質(zhì)。

圖12電機(jī)堵轉(zhuǎn)但允許“振動”的兩種情況

將這些波形與之前的運(yùn)行波形進(jìn)行比較，我們可以看到有些重疊。當(dāng)然，圖12顯示了全步進(jìn)模式驅(qū)動電機(jī)的行為。

4BEMF檢測的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

以下簡化框圖（圖13）說明了微步進(jìn)模式下給定電機(jī)的BEMF檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)相位同步檢查BEMF。

圖13反電勢檢測電路的簡化框圖

通過微（處理器）（模擬）數(shù)字采樣，可以在短時間內(nèi)獲得數(shù)千個BEMF讀數(shù)。根據(jù)該信息生成了值的直方圖。這提供了對預(yù)期的理解。

對于以下直方圖，如圖所示，使用了L9942和8位（微控制器）。L9942的步進(jìn)（時鐘）頻率設(shè)置為2kHz，微步進(jìn)模式下的峰值電流設(shè)置為400mA。

每個（ADC）樣本都是在零電流步驟結(jié)束時采集的。這確保了最一致的BEMF讀數(shù)。

圖1420℃下空載電機(jī)的BEMF直方圖

其中：

檢測到的最小BEMF電壓=3.6V檢測到的最大BEMF電壓=6.6V平均檢測到的BEMF電壓=4.7278V標(biāo)準(zhǔn)偏差=0.2023V現(xiàn)在比較堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子BEMF和運(yùn)行中的BEMF。

圖15空載和堵轉(zhuǎn)電機(jī)在熱態(tài)和冷態(tài)下的組合直方圖

從圖中可以看出，有些情況下，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的BEMF與運(yùn)行的BEMF值重疊。這只是由于轉(zhuǎn)子振動導(dǎo)致BEMF高于零。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，這種重疊是最小的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，BEMF比平時低得多。

在這個例子中，BEMF閾值被設(shè)置為大約2V。由于絕大多數(shù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的BEMF測量值都遠(yuǎn)低于這個水平，因此使用該閾值可以進(jìn)行可靠的檢測。如果您查看有效檢測此電機(jī)堵轉(zhuǎn)所需的時間，我們發(fā)現(xiàn)獨(dú)鉆可以在電機(jī)的一個機(jī)械旋轉(zhuǎn)內(nèi)檢測到。

圖16一臺電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測時間直方圖（右側(cè)是左側(cè)的縮放比例）

“電流周期”是指進(jìn)行一次360°電旋轉(zhuǎn)的持續(xù)時間。在本例中，轉(zhuǎn)換為以2kHz或16ms的頻率步進(jìn)32次。在10個半周期或80ms內(nèi)，100%的時間檢測到堵轉(zhuǎn)。

5限制

這些情況比較了空載電機(jī)和堵轉(zhuǎn)電機(jī)。這兩種狀態(tài)之間的差異是顯著的，并且很容易察覺。從上述分析中，我們可以看到，當(dāng)BEMF移動與電流更加一致時，負(fù)載電機(jī)會導(dǎo)致檢測到的BEMF閾值下降。在考慮可接受的堵轉(zhuǎn)閾值時，必須考慮這種下降。對于每個應(yīng)用，都有一個應(yīng)用的最大預(yù)期扭矩要求。在確定BEMF堵轉(zhuǎn)閾值時，必須考慮該最大扭矩要求。

其他可能限