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2021-04-19
欲望都市
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作者：Bill Schweber, Mouser Electronics
步进电机和驱动器的关键参数
设计人员通常首先通过匹配潜在电机的负载来查看他们的电机需求，再回过头来找到具备恰当特性、功能和功率的驱动器，以同时匹配应用需求和所选电机。尽管电子参数和机械参数表面上相互独立，但两者密切相关。
机械因素包括：步进角，电机尺寸和重量以及安装方式。业界已建立了许多尺寸和安装配置的标准，所以采用相同安装配置的不同供应商的产品可以作为第二选择或备选产品（图8）。其它机械因素还包括宽容度以及转子的轴向/径向参数。重要的一个机械规格是转子的惯量（通常在小型电机中使用盎司每平方英寸或克每平方厘米来指定），因为它是决定最大驱动时电机可以加速或减速程度的主要因素。
图7： Applied Motion Products公司的HT17-268D步进电机是一款代表产品，它具备工业标准NEMA17指定的框架和安装孔。主要规格包括1.8⁰步进角，1.34 安 /磁极电流，31.2盎司每英寸的最小持有扭矩以及5.38盎司每平方英寸的转子惯量。 （来源：贸泽电子）
供应商还提供了其它一些参数，如额定满载电流时的最大扭矩，转矩相对速度的曲线以及零转速的保持转矩。电磁线圈的机械设计确定了线圈的直流电阻和电感，它们是电机呈现给电驱动器的负载。反过来，这些参数又都涉及到电机驱动的电流和电压需求。
驱动器显示步进电机的易用性
IC供应商已经使驱动步进电机的工作相对简单。步进电机驱动器IC提供了用于直接连接到较小电机所需的定时，波形整形，电流驱动，嵌入式算法，线圈驱动FET和保护电路（过热，过流和开路）。也可能包括开关较大电机需要的外部FET的驱动电路，因为此时集成的单芯片方案是不可行的。（注：术语“驱动器”定义并不明确，并且必须结合上下文理解。它可以指直接控制马达的一个MOSFET;它可以是一个MOSFET的驱动功能块，这一功能块有时被称为预驱动器，即反过来开关控制电机的MOSFET;或者它可以是一个带电源电路、波形控制和I / O的完整电机驱动）。
使用外部MOSFET步进驱动器的一个示例是德州仪器（图8）的双极步进驱动器DRV8711。它与主机微控制器的IC接口是通过SPI端口实现的，这一接口可以为DRV8711提供高层次的定义以及电机配置、步进模式、256微步进操作、MOSFET驱动电流以及其它参数等选项。它由单电源供电，操作电压从8到52伏，通过H桥结构来驱动外部MOSFET电路。它重要的保护特性包括，通过基于反电动势的失速检测和通知、过热保护以及过流关断。
图8：德州仪器（TI）的DRV8711双极步进电机驱动器通过SPI总线来执行整体转向，实现了不同的步进驱动和性能配置文件，然后驱动外部MOSFET来切换电机磁极。 （来源：德州仪器）
几乎所有的电机控制供应商提供全打包方案，包括参考设计和评估板。 安森美半导体的LV8714TAGEVK（图10）允许其LV8714TA步进驱动器来实验这些设备，并且在需要时，潜在用户通过提供的Gerber文件、BOM信息和代码模块将这些设备集成到它们的设计中。LV8714TA是一个双步进驱动器，其工作电压从4至16.5V，包括带有功率FET的四个H桥通道，以直接驱动两个独立的步进电机，有这样需求的应用包括扫描器、销售点的打印机和视频PZT支架。在不使用时，它自动进入极低功耗模式，然后迅速唤醒并执行动作指令。该套件包括基于PC的开发软件，一个USB接口电缆，带有所有相关组件的电路板以及两个小型电机。
图9：大多数电机控制厂商提供完整的设计支持，如安森美半导体的LV8714TAGEVK开发套件。安森美半导体为其LV8714TA电机驱动器IC提供自带的完整电缆，参考设计，软件和两个小型电机。 （来源：安森美半导体）
一些设计人员不希望使用集成算法和控制的步进驱动器，而是在系统微处理器或微控制器中编写他们自己的算法，然后将该处理器的数字输出连接到基本功能的MOSFET驱动器。这是一个可行的策略，只要处理器有足够的计算能力和时间，或者它对控制应用进行了优化。
如果OEM设计人员考虑这种方案，理解谁来提供驻留在处理器中的控制算法——具体是IC供应商，第三方还是OEM——以及如何测试将至关重要。此外，嵌入式软件必须能够处理电机遇到的所有软硬故障和特性。有些厂商甚至提供特殊版本的处理器，提供附加的完整性和可靠性的功能，以确保该电机相关的代码在任何情况下都可以继续运行。
对于仅含驱动器的产品，供应处理器为中心方法的供应商还提供完整的开发套件，包含可定制具体应用所必需的软件。许多厂商同时提供基于处理器和嵌入式驱动器的方案，因此，用户可以同时评估这两种方法，并判断对于具体应用需求和优先级来说每种方法的相对表现。
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