基于办公自动化设备的高能效步进电机驱动器方案

电机的应用非常广泛，遍及人们工作及生活的各个领域，如打印机、复印机、电冰箱、洗衣机、空调、照相机、保安摄像机、自动售货机、热水供应系统、园林灌溉系统及工业自动化等。本文探讨了步进电机驱动的常见挑战，并重点介绍针对办公自动化设备应用的高能效步进电机驱动器方案。

0 引言

在节能越来越受重视的当今，高能效的驱动电机显得尤为重要。从类型上看，电机包括交流电机、直流有刷电机、直流无刷电机、永磁同步电机、伺服电机和步进电机等。其中，步进电机采用脉冲工作，也称作数字电机或脉冲电机。

步进电机的旋转角与脉冲数量成正比，速度则与脉冲频率成正比，可通过控制脉冲数量来精确控制步进电机的旋转，使其非常适合于定位应用。本文将探讨步进电机驱动的常见挑战，并重点介绍针对办公自动化设备应用的高能效步进电机驱动器方案。

1 步进电机驱动应用的常见挑战

电机驱动器能用于多种不同的应用。设计工程师在设计中使用电机驱动器时面对一些共通的挑战。首先，当今的大多数设计都要求电机驱动应用及相关电机驱动IC和元件提供低能耗和高能效。例如，在如果风扇驱动器电路板位于密封壳体内部，就会产生热量，要求额外的能耗来将它冷却。因此，就需要使用内置风扇在内部环流冷风，以减少热量并管理散热。故工程师可能会要求低功率损耗，同时还要求强大、具备高能效冷却功能的电机。

图1 电机驱动器应用示例及其常见挑战

其次，从终端用户角度来讲，极需要降低电机产生的噪声，以避免造成不适的感觉。设计人员还必须能够补偿系统中的任何外部噪声或振动。再次，无论是因为居住空间有限或是用户偏好，消费者对紧凑型方案的需求高是一项普通的消费趋势。这趋势导致更小尺寸及低噪声的电机更受偏好，但这在尝试补偿其它设计要求时并不总是具有可能性。

值得注意的是，由于要求高压电源来驱动白家电及工业等应用，电机及电机驱动器的耐用性及安全性至关重要。更不用说工程师需要选择能够精确控制速度的可靠电机。

2 永磁型和混合型步进电机的工作原理

步进电机常用于精密控制应用，并采用像微步进的技术来减轻电机振动。图2显示了永磁型步进电机及混合型步进电机的工作原理图解。步进电机以数字脉冲形式工作，通常称作同步电机或脉冲电机。步进电机通过导通及关闭MOSFET来控制转动。

图2 永磁型及混合型步进电机的工作原理图

以图2左侧为例，当电流流过MOSFET开关OUT1和OUT2时，永磁转子的位置如左图所示。控制OUT1、2、3及4的电流，就可以控制转子位置。转角与脉冲数量成正比，转速与脉冲的频率成正比。您可以藉控制脉冲数量来精密地控制转子位置，使其适合于定位。

3 步进电机及驱动器产品设计

如前所述，步进电机的应用非常广泛，如在ATM自动柜员机中用于进钞控制及存折卷入等功能，又如在自动售卖机中用于货品移动，以及在老虎机中用于轮盘旋转等。本文讨论的重点是针对办公自动化应用的步进电机及驱动器，典型产品有如打印机及扫描仪。通常情况下，进纸、纸托盘及扫描等功能可能使用到步进电机，用于位置控制。

图3 步进电机及驱动器在常见办公自动化设备中的应用示例