【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)是需要運(yùn)動控制的工業(yè)系統(tǒng)中的重要組成部分。它們依靠電機(jī)驅(qū)動來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)動控制所需的電流。
步進(jìn)電機(jī)是需要運(yùn)動控制的工業(yè)系統(tǒng)中的重要組成部分。它們依靠電機(jī)驅(qū)動來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，這對于電機(jī)控制至關(guān)重要。
在PWM中，微控制器、定時器或其他電路生成數(shù)字信號，通常是方波。產(chǎn)生的信號由驅(qū)動電路放大，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（關(guān)閉）的脈沖寬度。脈寬調(diào)制器通過將參考電壓與斜坡電壓進(jìn)行比較來控制脈寬，通常用于調(diào)整占空比。
圖 1. PWM 信號是原始信號（虛線）的實(shí)線方波。圖片由 Bob Odhiambo 提供
改變 PWM 信號的占空比可以調(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 信號的類型
有兩種不同類型的脈寬調(diào)制 信號。
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。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。可以改變周期來定義脈沖處于高電平的時間相對于總周期時間的百分比。
差分脈寬調(diào)制。 在這種類型的 PWM 中，占空比由兩個波形控制。一種是具有變化幅度和相位的調(diào)制信號，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，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，對于控制步進(jìn)電機(jī)信號至關(guān)重要。
圖 2.脈沖寬度調(diào)制、幅度、脈沖寬度和周期對于計(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)備打開或活動時的情況，Toff表示設(shè)備關(guān)閉或不活動時的情況。
Ton 和 Toff 也可以被視為 PWM 信號的高點(diǎn)和低點(diǎn)。
例如：
考慮一個設(shè)備在 10 秒內(nèi)打開 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% 的總時間處于非活動狀態(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。對于使用該波的步進(jìn)電機(jī)控制，電機(jī)位置的測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)測量值并將其與正弦波參考進(jìn)行比較后，通過修改 PWM 信號中脈沖的寬度和時序來調(diào)整輸送到電機(jī)的功率。該信號由驅(qū)動電路放大并發(fā)送至電機(jī)以驅(qū)動電機(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，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)整功率輸出時匹配正弦波的形狀，而 PWM 的工作原理是快速打開和關(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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