【導讀】步進電機是需要運動控制的工業系統中的重要組成部分。它們依靠電機驅動來解碼脈沖輸入并生成輸出電流。良好的控制系統使用特定的算法為電機繞組產生電流，以實現步進電機旋轉的增量。該算法控制速度、位置、步長分辨率和效率。脈寬調制 (PWM) 和正弦控制等控制方法可生成運動控制所需的電流。
步進電機是需要運動控制的工業系統中的重要組成部分。它們依靠電機驅動來解碼脈沖輸入并生成輸出電流。良好的控制系統使用特定的算法為電機繞組產生電流，以實現步進電機旋轉的增量。該算法控制速度、位置、步長分辨率和效率。脈寬調制 (PWM) 和正弦控制等控制方法可生成運動控制所需的電流。
脈寬調制的工作原理
PWM 是一種用于調節傳遞給電機等負載的電量的控制方法。這種方法改變了電脈沖的寬度，這對于電機控制至關重要。
在PWM中，微控制器、定時器或其他電路生成數字信號，通常是方波。產生的信號由驅動電路放大，然后將其發送到負載。輸送到負載的功率取決于脈沖寬度。
占空比用于改變數字信號（關閉）的脈沖寬度。脈寬調制器通過將參考電壓與斜坡電壓進行比較來控制脈寬，通常用于調整占空比。
圖 1. PWM 信號是原始信號（虛線）的實線方波。圖片由 Bob Odhiambo 提供
改變 PWM 信號的占空比可以調整提供的功率以實現控制，使其成為步進電機的理想控制方法。
PWM 信號的類型
有兩種不同類型的脈寬調制 信號。
單端脈寬調制。 在單端脈寬調制中，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制信號，并使用模擬乘法器進行組合。這種類型的 PWM 用于電機控制應用中以實現控制。
占空比計算
占空比是脈沖寬度與周期的比率，對于控制步進電機信號至關重要。
圖 2.脈沖寬度調制、幅度、脈沖寬度和周期對于計算脈沖占空比至關重要。圖片由 Bob Odhiambo 提供
要計算占空比，請使用以下公式：
[占空比,周期=frac{Ton}{Ton+Toff} imes 100\%]
其中Ton表示設備打開或活動時的情況，Toff表示設備關閉或不活動時的情況。
Ton 和 Toff 也可以被視為 PWM 信號的高點和低點。
例如：
考慮一個設備在 10 秒內打開 2 秒然后關閉 8 秒。占空比可由下式確定
[任務,周期=frac{2}{(2+8)} imes100\%=20\%]
該設備的占空比為 20%，使其有 80% 的總時間處于非活動狀態。
正弦控制的工作原理
正弦方法是控制輸送到步進電機的電壓的另一種方法。它很自然地做到這一點，就像交流電源中的正弦波形一樣。這種方法比 PWM 更平滑、更。
在正弦控制系統中，波形發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電機控制，電機位置的測量值被饋送到控制電路中以與正弦波進行比較。
獲取電機測量值并將其與正弦波參考進行比較后，通過修改 PWM 信號中脈沖的寬度和時序來調整輸送到電機的功率。該信號由驅動電路放大并發送至電機以驅動電機。
正弦控制在控制步進電機方面更加高效和，并且振動和噪音。這種類型的控制可用于步進電機、功率轉換器和逆變器。
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，尤其是在高速運行時，因為它可以連續提供電力。這種類型的電力傳輸減少了系統中的熱量產生和電噪聲。
控制方法：正弦控制在調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閉功率。
復雜性： PWM 控制通常比正弦控制更容易實現，正弦控制需要復雜的控制算法和額外的電路。正弦控制很難實施、設計和故障排除。
準確性：正弦控制比 PWM 更準確，因為它可以實時調整穩定且更一致的功率傳輸，以匹配正弦波參考。
應用： PWM用于步進電機控制、電源轉換器和逆變器等應用，而正弦控制用于高精度和高能效應用，例如控制高性能系統的步進電機。
正弦波還是脈寬調制？
正弦控制和 PWM 控制都有各自的優點和缺點。控制方法的選擇取決于應用和要求。正弦控制可提供更平穩、更且高效的電力傳輸，而 PWM 則可靠且易于實施。
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