CN101635552B - 一种两相步进电机的驱动器及驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种两相步进电机的驱动器及驱动控制方法，设有：电源电路、电流采样电路、三相桥功率电路，三相桥功率电路三个输出端的两个分别与步进电机两相绕组中相互为异相的一个接头连接，另一输出端与两相电机绕组四个接头中的其余两个相互为异相的接头连接；CPU主控器：根据电流采样电路采集的每相电机绕组的电流信号，实现核心控制算法，向三相桥功率电路输出控制信号。本发明用三相桥功率电路控制两相步进电机，从而使三相步进电机和两相步进电机可采用相同的硬件驱动电路，提高了硬件的通用性，而且还可克服现有两相步进电机H桥双极性驱动电路需要功率部件多，或单极性驱动电路绕组利用率低的不足。

Description

一种两相步进电机的驱动器及驱动控制方法

技术领域

本发明属一种电机的驱动器及控制方法，具体涉及一种二相步进电机的驱动器及控制方法。

背景技术

在电脑刺绣控制系统中，步进电机作为执行机构应用的地方很多，例如绣框、剪线、松线、换色等都需要步进电机完成动作。所使用的步进电机也是型号繁多，包括三相、两相步进电机。

传统三相步进电机的控制使用三相桥功率电路驱动，两相步进电机采用H桥(双极性)驱动或是单极性驱动，H桥(双极性)控制两相步进电机需要8个功率器件，而单极性控制使用4个功率器件，单极性控制虽然减少了功率器件，但是对电机绕组的利用率也减少了50％，电机力矩减小。使用三项桥控制比H桥(双极性)控制少使用2个功率器件，同时也可以提高绕组利用率，部分实现双极性控制效果。但目前三相步进电机的控制电路不能用于两相步进电机的控制。

步进电机的运行可分为整步、半步和微步控制，整步和半步运行一般噪音和振动较大，为了减小噪声和振动，通常采取微步细分控制，现有多数细分控制都是采用外部细分方法。

发明内容

本发明旨在提供一种两相步进电机的驱动器及控制方法，该发明可以使用三相桥控制电路控制两相步进电机，从而使三相和两相步进电机能够使用相同的硬件，提高硬件的适应性，并克服现有两相步进电机驱动电路需要功率部件多或致使绕组利用率低的不足。

解决上述问题的技术方案是，本发明驱动器设有：

电源电路：用于为系统提供功率母线电压和控制逻辑电压；

电流采样电路：用于采集每相电机绕组的电流值；

三相桥功率电路：用于为电机绕组提供控制电流，其三个输出端的两个分别与步进电机两相绕组中相互为异相的一个接头连接，另一输出端与两相电机绕组四个接头中的其余两个相互为异相的接头连接；

CPU主控器：根据电流采样电路采集的每相电机绕组的电流信号，实现核心控制算法，向三相桥功率电路输出控制信号。

本发明控制方法包含下述内容：

1、将步进电机两相绕组四个接头中两个互为异相的接头连接，成为三个接头；

2、将三相桥功率电路中的三个输出端分别与两相步进电机的上述三个接头连接；

3、主控器用细分方法控制步进电机；

4、采集两相步进电机每相的电流反馈值；

5、通过主控器将采集的电流反馈值与给定的电流值进行比较得出误差；

6、对误差进行比例积分调节，计算出控制值；

7、主控器向三相桥功率电路输出SVPWM脉宽调制控制信号，控制三相桥功率电路中功率器件的开通和关断。

本发明用三相桥功率电路控制两相步进电机，从而使三相步进电机和两相步进电机可采用相同的硬件驱动电路，提高了硬件的通用性，而且还可克服现有两相步进电机H桥双极性驱动电路需要功率部件多，或单极性驱动电路绕组利用率低的不足。

附图说明

图1、本发明两相步进电机驱动器实施例方框示意图

图2、本发明实施例三相桥功率电路与步进电机两相绕组接线示意图

图3、本发明方法实施例驱动控制方法流程图

图4、初始化及主循环模块流程图

图5、A/D采样中断模块流程图

图6、定时器T2溢出模块流程图

图7、定时器T2比较模块流程图

图8、半流信号模块流程图

图9、正向脉冲捕获模块流程图

图10、反向脉冲捕获模块流程图

具体实施方式

本例是用于电脑刺绣机的二相步进电机驱动器。

图1为本例驱动器方框示意图，包括：

电源电路：设有整流滤波电路、开关电源电路、线性电源电路，为系统提供功率母线电压和控制逻辑电压。

主控制CPU及其配置电路：为控制系统核心，使用TI公司的DSPTMS320LF2406，用于采集电机绕组电流反馈信号，实现核心控制算法，通过脉宽调制输出6路SVPWM控制信号，分别控制三相桥功率电路三个桥臂上的6个功率部件的开关。

与主控器输入端连接的拨码开关：用于给用户设置不同的电流和角度。

与主控制器输入端连接的复位电路：使用MAX706，在上电时或系统供电不足时提供给CPU复位信号。

与主控器输入端连接的温度保护电路：使用温度开关67L085，用于当功率部件温度过高时提供过温信号。

与主控器输出端连接的三相桥功率电路：参见图2，使用六个MOSFET场效应管IRF640搭成三相桥结构，使用IR21363驱动电路(未画出)在前级驱动IRF640，通过每个MOSFET按照一定顺序导通，给步进电机提供绕组电流。

与主控器输入端连接的电流采样电路：用于采集两相步进电机每相绕组的电流值，输入到主控制器，本例使用HNC7.5SY3霍尔电流传感器(图2中分别串在两相绕组电路里的Z1、Z2)。

设有与CPU主控器连接的非易失存储器：使用RAMTRON公司的FM24CL16，在系统掉电时记录电机最后时刻电流，即记录电机转子所在的位置，并且在系统重新上电时将前一次电机掉电时的电机电流传送给CPU，使电机上电的时刻电流与掉电时电流值吻合。，

图2是上述驱动器三相桥功率电路与两相电机绕组的连接结构示意图：两相步进电机有四个绕组接头，在接线时将两相绕组中每相中的一个接头接在一起接到三相桥功率电路的一个输出端，另外剩下的两个绕组接头分别接到三相桥功率电路的另外两个输出端。见图2，将两相步进电机的a和b接头一起接到三相桥功率电路的U相输出端，将/a接头接到三项桥功率电路的V相输出端，将/b接头接到三项桥功率电路的W相输出端，图中Z1、Z2为电流采样器件，M代表两相步进电机转子

本例驱动器采用软件程序对二相步进电机绕组电流进行控制：

主控器DSP软件程序除了初始化和主循环程序以外的其他程序都是中断响应的程序。

驱动器的输入信号有半流信号、正转信号、反转信号，当半流信号为高电平时，电机处于全流状态，当半流信号处于地点平时，电机处于半流状态，只有当电机处于全流状态时，有正转信号和反转信号输入时，电机才进行正转和反转。

本例为细分法控制，设有外部细分数M，将步进电机每一齿对应的角度细分为M步，并设有内部细分数N，对外部细分的每一步再细分N步，即当一个正/反转脉冲到来，电机在按对应方向的外部细分步距角θ旋转的过程中，改为不是一步旋转到位，而是根据给定脉冲的周期deltaT，在deltaT/N时间内电机旋转θ/N角。

具体实现方法：步进电机运行一个齿对应为一个正弦电流表，当电流指针指向某一正弦表值时，电机电流为正弦表电流值，步进电机转子运行到电流所对应的位置，本例将正弦表分为320个点，50齿的步进电机每个齿对应机械角度7.2度，定义7.2/θ为外部细分数M，设M*N＝320。当一个正/反转脉冲到来时，电流指针指向下一个步距角对应的电流起点，准备进行内部细分运行，在deltaT/N时间长度间隔若产生比较中断时，电流指针pointer+1(或pointer-1)，完成一个小微步运行。

现有多数细分控制都是采用外部细分方法，这需要上位机给出高频脉冲，但有时上位机发不出高频脉冲，所以本例使用外部细分与内部细分相结合的方法，而且采用内部细分法控制可以进一步提高控制精度、降低噪音。

本驱动器软件主要包括以下几个模块：

初始化及主循环模块：完成系统的初始化配置进入系统主循环程序。

A/D中断程序：实现A/D采样，采集Z1、Z2上的电压，即两相电机a相和b相的反馈电流Iaf和Ibf，与给定的两相电流Ia和Ib进行做差，得到电流误差deltaIa和deltaIb，对这两个误差进行PI调节，计算出调节值，确定调节矢量所处的扇区，通过空间矢量脉宽调制SVPWM输出给功率部件。

定时器T2溢出模块：用于实现步进电机的内部细分运行，记录在两次脉冲信号到来的定时器T2的溢出次数，扩大计算连续两个旋转脉冲的时间范围。

定时器T2比较模块：用于实现步进电机的内部细分运行，在前一时刻时间基准上加上微步运行周期，电流指针加/减1(即加/减一个微步宽度)。

半流信号模块：判断半流信号处于高电平还是低电平，进而将电机电流设置为全流或是半流。

正转脉冲捕获模块：记录连续两个正向脉冲时间间隔，电流指针沿正方向加1个步距角宽度(本例中即320/M＝N个宽度)。

反转脉冲捕获模块：记录连续两个反向脉冲时间间隔，电流指针沿正方向减1个步距角宽度。

周期计算函数：计算连续两个正(反)向脉冲的时间间隔，再除以内部细分数N，得出每一个微步的运行时间周期deltaT＝deltatime+T2周期溢出个数*T2周期，运行每一个小微步的时间为deltaT/N＝(deltatime+T2周期溢出个数*T2周期)/N。

本例主控器通过记录连续两个正向或反向脉冲的时间间隔，作为内部细分周期的依据，在电流指针根据脉冲的正、反方向，沿正方向或反方向加1个步距角宽度，同时记录在两次脉冲信号到来时定时器T2的溢出次数，扩大计算连续两个旋转脉冲的时间范围，计算连续两个正/反向脉冲的时间间隔，再除以内部细分数N，得出每一个微步的运行时间周期，主控器在前一时刻时间基准上加上微步运行周期，使电流指针加/减一个微步宽度，主控器根据电流指针所对应的电流值得到电机电流给定值，控制电机运行到电流指定值。

Claims (1)

1.一种两相步进电机的驱动控制方法，其特征在于，包含下述内容：

(1)、将步进电机两相绕组四个接头中两个互为异相的接头连接，成为三个接头；

(2)、将三相桥功率电路中的三个输出端分别与两相步进电机的上述三个接头连接；

(3)、主控器用细分方法控制步进电机；

(4)、采集两相步进电机每相的电流反馈值；

(5)、通过主控器将采集的电流反馈值与给定电流值进行比较得出误差；

(6)、对误差进行比例积分调节，计算出控制值；

(7)、主控器向三相桥功率电路输出SVPWM脉宽调制控制信号，控制三相桥功率电路中功率器件的开通和关断；

所述主控器控制步进电机的细分法是：设有外部细分数M，将步进电机每一齿对应的角度细分为M步，并设有内部细分数N，对外部细分的每一步再作内部细分N步，即当一个正/反转脉冲到来，电机在按对应方向的外部细分步距角θ旋转的过程中，改为不是一步旋转到位，而是根据给定脉冲的周期deltaT，在deltaT/N时间内电机旋转θ/N角；

所述主控器通过记录连续两个正向或反向脉冲的时间间隔，作为内部细分周期的依据，在电流指针根据脉冲的正、反方向，沿正方向或反方向加1个步距角宽度，同时记录在两次脉冲信号到来时定时器(T2)的溢出次数，扩大计算连续两个旋转脉冲的时间范围，计算连续两个正/反向脉冲的时间间隔，再除以内部细分数N，得出每一个微步的运行时间周期，主控器在前一时刻时间基准上加上微步运行周期，使电流指针加/减一个微步宽度，主控器根据电流指针所对应的电流值得到电机电流给定值，控制电机运行到电流指定值。

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