CN102468796B - 步进电动机的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步进电动机的驱动装置。其不使控制系统复杂化，而提高针对指令值的追随性。其特征在于，具有：电流检测部(11)，其检测向双极型2相步进电动机(1)的线圈(4、5)中流过的电流值；以及控制部(30)，其基于符合向双极型2相步进电动机输入的动作指令的针对线圈的指令电流值(Ir)、和电流检测部的检测电流值(Id)之间的电流偏差(Ie)，进行在线圈中流过的电流的反馈控制，控制部求出电流偏差的累积值(Iei)，利用该累积值和电流偏差的值，确定向线圈中流过的电流值，并且如果指令电流值的正负极性切换，则将电流偏差的累积值重置，然后继续进行累积。

Description

步进电动机的驱动装置

技术领域

本发明涉及一种步进电动机的驱动装置。

背景技术

作为通常的步进电动机，已知一种通过使两个线圈在彼此不同的励磁定时励磁而驱动的二相步进电动机。

在现有的双极型2相步进电动机1中，针对两个线圈分别设置有驱动装置100，其切换通电方向的正反并对每个线圈进行驱动(图10)。

驱动装置100具有：CPU101，其输出作为步进电动机110的动作指令的电流值指令；D/A变换部102，其输出与电流值指令对应的指令电流值；电流偏差生成部103，其根据步进电动机的线圈中流过的电流值与指令电流值之间的差分，输出偏差；三角波发生电路104，其输出规则的锯齿状的三角波；PWM发生电路105，其根据比较值信号和三角波信号之间的比较，生成作为接通-断开连续信号的PWM信号；电桥电路106，其对步进电动机110的两个线圈中分别流入的电流的正反方向以及接通-断开进行切换；以及电流检测部107，其对流过各线圈的电流进行检测。

并且，利用上述结构，在驱动装置100中，对步进电动机110进行所谓的比例控制(P控制)(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2009-095148号公报

发明内容

但是，在现有的双极型2相步进电动机的驱动装置中进行的比例控制(P控制)，存在在输出中产生固定偏差及容易受到噪声影响的缺点。

因此，为了应对上述缺点，也存在使用比例+积分控制(PI控制)的方法，但在双极型2相步进电动机的控制中，必须对向各线圈中流过的电流的正负极性周期性地进行切换，存在下述问题，即，在将电动机高速旋转过程中电流向正负中的一个极性切换时，由于至此为止累积得到的电流偏差的累积值而使电流追随延迟。

基于图11进行说明，在积分控制中，通过将电流偏差的累积值Iei反映至流过线圈的电流值中，从而可以降低固定偏差和噪声的影响。但是，在指令电流值Ir从正变为负的时刻(图中的点C1)，电流偏差的累积值Iei仍为正，因此尽管线圈中应流过负的电流值(反方向的电流)，但积分控制的成分反映累积值Iei，进行正的校正，使追随性下降。

另外，在指令电流值Ir从负变为正的时刻(图中的点C2)也产生相同的现象。

另外，也存在使用比例+积分控制+微分控制(PID控制)的方法，但如果使用微分控制，则控制系统变得复杂，由于增益设定的不同而存在控制发散的问题。另外，由于在PID控制的情况下也包含有积分控制，所以无法根本解决上述追随性的问题。

本发明的目的在于，对于双极型2相步进电动机的驱动装置，不使控制系统复杂化，而使追随性提高。

技术方案1所述的发明的特征在于，具有：电流检测部，其检测向双极型2相步进电动机的线圈中流过的电流值；以及控制部，其基于向所述线圈流入的指令电流值、和所述电流检测部的检测电流值之间的电流偏差，对所述线圈中流过的电流进行反馈控制，其中，向所述线圈流入的指令电流值是基于向所述双极型2相步进电动机输入的动作指令而得到的，所述控制部求出所述电流偏差的累积值，利用该累积值和所述电流偏差的值，确定向所述线圈中流过的电流值，并且如果切换所述指令电流值的正负极性，则将所述电流偏差的累积值重置，然后继续进行累积。

技术方案2所述的发明的特征在于，具有与技术方案1所述的发明相同的结构，并且所述控制部根据该指令电流值和电流偏差的累积值的乘积值，对所述指令电流值的正负极性的切换进行判定。

技术方案3所述的发明的特征在于，具有与技术方案1或2所述的发明相同的结构，并且所述控制部由DSP(DigitalSignalProcessor)构成。

发明的效果

在技术方案1所述的发明中，在周期性地切换指令电流值的极性的情况下，对该切换进行检测，进行将电流偏差累积值的值重置的处理，因此，在刚刚切换了指令电流值的极性后，排除由于电流偏差累积值的极性与指令电流值不一致而引起的在线圈中流过的电流的追随性下降的影响。因此，不会产生由微分控制的实施等引起的控制系统的复杂化，可以实现反馈控制中的追随性的提高。

在技术方案2所述的发明中，根据该指令电流值和电流偏差的累积值的乘积值，对指令电流值的正负极性的切换进行判定，因此，例如相比于将之前的指令电流值进行存储，通过与新的指令电流值进行对比而进行极性切换的判定的情况，不需要用于对之前的指令电流值进行存储的处理及存储单元，可以实现控制系统的简化。

在技术方案3所述的发明中，作为控制部，使用适于进行周期性且连续性的处理的DSP，因此，可以实现处理的高速化，可以实现追随性的进一步提高。

附图说明

图1是表示连接有本发明所涉及的步进电动机的驱动装置的双极型2相方式的步进电动机的结构的说明图。

图2是表示步进电动机的驱动装置的结构的框图。

图3是电桥电路的电路图。

图4是DSP的功能框图。

图5是以时间为横轴，以电流值为纵轴，表示指令电流值Ir、检测电流值Id、电流偏差Ie、电流偏差累积值Iei的变化的线图。图5(A)是以时间为横轴，以电流值为纵轴，表示来自CPU的指令电流值Ir和检测电流值Id的变化的线图，图5(B)是以时间为横轴，以电流值为纵轴，表示电流偏差Ie和电流偏差累积值Iei的变化的线图。

图6是表示利用DSP对步进电动机的线圈进行通电控制的流程图。

图7是表示电动机低速驱动时的伴随着时间经过的指令电流值Ir、进行了将电流偏差累积值Iei重置的控制的情况下的检测电流值Id、进行了不将电流偏差累积值Iei重置的控制的情况下的检测电流值Idm的变化的线图。

图8是表示电动机中速驱动时的伴随着时间经过的指令电流值Ir、进行了将电流偏差累积值Iei重置的控制的情况下的检测电流值Id、进行了不将电流偏差累积值Iei重置的控制的情况下的检测电流值Idm的变化的线图。

图9是表示电动机高速驱动时的伴随着时间经过的指令电流值Ir、进行了将电流偏差累积值Iei重置的控制的情况下的检测电流值Id、进行了不将电流偏差累积值Iei重置的控制的情况下的检测电流值Idm的变化的线图。

图10是表示现有的双极型2相步进电动机的驱动装置的一个构成例的框图。

图11是以时间为横轴，以电流值为纵轴，表示指令电流值Ir、实际向线圈中流过的电流值Id、它们的电流偏差Ie和电流偏差的累积值Iei的变化的线图。

具体实施方式

(发明的实施方式的整体结构)

下面，基于图1至图9，详细说明本发明的实施方式。

本发明的实施方式所涉及的步进电动机1的驱动装置7，针对步进电动机1的A相以及B相的各线圈4、5而设置，各驱动装置7与CPU8连接，该CPU8输出与作为步进电动机1的目标动作相对应而确定的电流值指令。

(步进电动机)

步进电动机1具有：圆柱状的转子2，其与该步进电动机1的旋转轴一体形成，可旋转地设置；圆筒状的定子3，其设置在转子2的周围；以及线圈4、5，其卷绕于在定子3的内周部向与转子2接近的方向凸出而设置的芯部3a、3b上，通过后述的驱动装置7的电流控制而励磁，变更/维持转子2的旋转角度。另外，将各线圈4、5简化而图示，但实际上分别由多个线圈构成，它们在转子2的周围串联且以均等的间隔交替配置。

转子2为永磁体等磁性体，与未图示的步进电动机1的旋转轴连结，可旋转地被支撑。定子3为设置在转子2的周围的圆筒状的磁性材料(例如铁)，在其内周部设置有向与转子2接近的方向凸出而设置的芯部3a、3b。

线圈4、5是卷绕在芯部3a、3b上的绕线，通过利用后述的驱动装置7使电流流过而励磁，作为电磁体起作用。此时，线圈4、5通过各驱动装置7，利用CPU8进行使相位偏移并周期性地使电流值变化的电流控制。另外，通过使两个线圈4、5的电流比率不断地细微变化，从而利用能够得到更细致的步进角度的微步(microstep)，进行步进电动机1的旋转驱动。

(步进电动机的驱动装置)

下面，详细说明步进电动机的驱动装置7。

步进电动机的驱动装置7控制步进电动机1的驱动/停止以及旋转角度。步进电动机的驱动装置7如图1所示，分别设置在步进电动机1的线圈4、5上，控制向线圈4、5中流过的电流。

另外，在以下的说明中，对与线圈4连接的驱动装置7进行说明，省略对相同结构的线圈5的驱动装置7的说明。

如图2所示，步进电动机的驱动装置7具有：电流检测部11，其检测向步进电动机1的线圈4中流过的电流值；电桥电路20，其进行连接的切换，以分别对线圈4向规定方向(设为正方向)及其反方向进行通电；以及作为控制部的DSP(DigitalSignalProcessor)30，其基于指令电流值和电流检测部11的检测电流值的电流偏差，对向线圈4中流过的电流进行反馈控制，以通过电桥电路20，使与来自CPU8的指令电流值对应的电流向线圈4中流过。

(驱动装置：电流检测部)

电流检测部11是与线圈4串联连接的分流电阻，能够得到与流过线圈4的电流值对应的检测信号。

(驱动装置：电桥电路)

如图3所示，电桥电路20利用FET21～24以及二极管25～28构成H电桥电路，经由该电桥电路20，将线圈4与电源装置6连接。

另外，电源装置6被线圈4、5共用。即，对于一个电源装置6，连接两个驱动装置7的电桥电路20，向线圈4、5中流过电流。

FET21～24是所谓的3端子场效应晶体管，FET21、22的一个电极与线圈4的一端连接，FET23、24的一个电极与线圈4的另一端连接。另外，FET21、23的另一个电极与电源装置6连接，FET22、24的另一个电极与地线9连接。

另外，对于FET21～24，其门极与DSP30连接，如果利用该DSP30向门极施加电压，则作为使与该电压值对应的电流从电源装置6向线圈4中流过的“开关元件”起作用。另外，FET21～24可以双向通电。

另外，DSP30对下述连接状态进行切换，即，将FET21和24同时接通并将FET22和23同时断开的连接状态、以及将FET21和24同时断开并将FET22和23同时接通的连接状态。并且，在前者的连接状态时，在线圈4中沿图3中的右方向流过电流(图3实线箭头)，在后者的连接状态时，在线圈4中沿图3中的左方向流过电流(图3虚线箭头)。

二极管25～28与FET21～24分别并联连接。另外，各二极管25～28的阳极(anode)与地线9侧连接，阴极(cathode)与电源装置6侧连接。即，来自电源装置6的电流不会流过二极管25～28，在流过与电源装置6的电流方向反向的电流的情况下，该反向的电流流过二极管25～28。由此，通过使该反向的电流流过FET21～24，从而防止FET21～24被破坏。即，二极管25～28作为FET21～24的保护电路起作用。

(驱动装置：DSP)

在图4中，DSP30主要构成为，实现作为比较部31、比例处理部32、积分处理部33、以及PWM信号生成部36的功能，其中：比较部31求出电流检测部11的检测电流值Id相对于来自CPU8的基于步进电动机1的线圈4的指令电流值Ir的偏差Ie；比例处理部32将偏差Ie与比例增益Kp相乘；积分处理部33基于偏差Ie进行积分处理；PWM信号生成部36基于比例处理部32和积分处理部33的处理结果，生成向电桥电路20输出的PWM信号，以向线圈4进行规定电流的通电。

另外，上述各部31、32、33、36中的连续的一系列的处理，是以一定的周期反复执行的。

在图5中，上部(A)的线图以时间为横轴，以电流值为纵轴，表示来自CPU的指令电流值Ir和检测电流值Id的变化，下部(B)的线图以时间为横轴，以电流值为纵轴，表示电流的偏差Ie和电流偏差累积值Iei的变化。

向线圈4和线圈5中通电，使电流值具有π/2的相位差而以正弦波形周期性地反复变化。并且，CPU8对以描绘上述正弦波形的方式阶段性变化的指令电流的数值进行输出，执行微步驱动。

比较部31对来自上述CPU8的指令电流值Ir和来自电流检测部11的检测电流值Id进行减法运算，计算电流偏差Ie。

Ir-Id＝Ie

并且，将计算出的电流偏差Ie向比例处理部32和积分处理部33输出。

比例处理部32将从比较部31输入的电流偏差Ie与预先设定的比例增益Kp相乘，并向PWM信号生成部36输出。

积分处理部33具有：累积部34，其对每次从比较部31输入的电流偏差Ie进行累积；以及判定部35，其对是否将由累积部34累积得到的电流偏差累积值Iei重置进行判定。另外，DSP30内置有存储器，将电流偏差累积值Iei存储在该存储器内。

在利用现有技术的反馈的积分控制中，从步进电动机1驱动至停止为止，连续地进行电流偏差Ie的累积。其结果，如双极型2相步进电动机1所示，在周期性地切换指令电流值Ir的极性的情况下，在刚刚切换指令电流值Ir的极性之后，发生至此为止累积得到的电流偏差累积值Iei和极性之间不一致，产生阻碍积分控制成分追随指令电流值Ir的作用，从而产生线圈通电的追随性下降的问题。

因此，积分处理部33的判定部35读取来自CPU8的指令电流值Ir，判定是否对之前的指令电流值切换了极性。具体地说，根据指令电流值Ir和电流偏差累积值Iei相乘后得到的乘积值是否成为负极性而进行判定。即，在指令电流值Ir的极性没有变化的情况下，由于极性与至此为止的电流偏差累积值Iei一致，所以如果进行乘法运算，则一定为正，在刚刚切换了指令电流值Ir的极性之后，由于极性与电流偏差累积值Iei不一致，所以如果进行乘法运算，则其乘积值一定为负，因此可以检测出指令电流值Ir极性的切换。

另外，判定部35在判定为不是刚刚切换了指令电流值Ir的极性时，与以前的控制相同地，将电流偏差累积值Iei与积分增益相乘，并向PWM信号生成部36输出。另外，在判定为刚刚切换了指令电流值Ir的极性时，判定部35将电流偏差累积值Iei设为0，并向PWM信号生成部36输出。

即，如图5所示，在切换指令电流值Ir极性的点P1～P3处，将电流偏差累积值Iei重置为0，然后重新进行累积。

PWM信号生成部36将作为比例处理部32的输出的Kp×Ie和作为积分处理部33的输出的Ki×Iei(在重置后的情况下Iei＝0)相加，计算其合计值Ret。

Ret＝Kp×Ie+Ki×Iei

并且，将作为反复进行接通和断开的信号的PWM信号，以与上述合计值Ret的数值相对应的占空比而生成，并向电桥电路输出。占空比设定为与Ret的数值相对应而成比例地变大。即，如果Ret的值为正且绝对值较大，则以接通的比率大于或等于0.5且与绝对值相对应而更接近1.0的方式设定占空比，如果Ret的值为负且绝对值较大，则以断开的比率大于或等于0.5且与绝对值相对应而更接近1.0的方式设定占空比。

另外，对于合计值Ret和PWM信号的占空比，也可以进行下述处理，即，在DSP30内准备设定了彼此对应关系的表，参照该表确定与合计值Ret对应的占空比。

由此，进行修正，以使得在线圈4中沿正或反方向流过规定的电流，通电量追随指令电流值。

即，DSP30(控制部)求出电流偏差的累积值Iei(电流偏差累积值Iei)，根据该累积值Iei和电流偏差Ie的值，确定向线圈4中流过的电流值，并且如果切换指令电流值Ir的正负极性，则将电流偏差的累积值重置(Iei＝0)，然后继续进行累积。

(由驱动装置进行的步进电动机的控制)

对于利用上述驱动装置7进行的步进电动机1的控制，基于图6的流程图，特别对DSP30(控制部)针对步进电动机1的线圈4的通电控制进行说明。

首先，在步进电动机1的驱动开始时，将电流偏差累积值Iei的值重置([Iei＝0]：步骤S1)。

然后，DSP30从CPU8读出指令电流值Ir，并且从电流检测部11读出检测电流值Id(步骤S3)，比较部31从指令电流值Ir中减去检测电流值Id，计算电流偏差Ie([Ir-Id＝Ie]：步骤S5)。

然后，在积分处理部33的累积部34中，将存储器内的电流偏差累积值Iei的值与电流偏差Ie相加(步骤S7)。

然后，判定部35将指令电流值Ir和电流偏差累积值Iei相乘，并对其乘积值是否小于0(负)进行判定([Ir×Iei＜0]：步骤S9)。

此时，如果Ir×Iei＜0(步骤S9：是)，则在刚刚切换了指令电流值Ir的极性后，电流偏差累积值Iei为极性仍未切换的状态，因此，进行将存储器内的电流偏差累积值Iei重置的处理([Iei＝0]：步骤S11)。

另一方面，如果Ir×Iei≥0(步骤S9：否)，则在比例处理部32中将电流偏差Ie与比例增益Kp相乘，在积分处理部33中将电流偏差累积值Iei与积分增益Ki相乘，并计算上述值的合计值Ret([Ret＝Kp×Ie+ki×Iei]：步骤S13)。

然后，在PWM信号生成部36中，基于合计值Ret确定占空比，并将与其相对应的PWM信号向电桥电路20输出(步骤S15)。

电桥电路20与PWM信号相对应，交替进行FET21、24的接通和FET22、23的接通，向线圈4中流过正反的电流，通常通入与占空比对应的电流。

然后，处理返回步骤S3，进行下一个指令电流值Ir和检测电流值Id的读入。另外，从步骤S3至S17的处理，是在步进电动机1的驱动中以一定的周期反复执行的。

另外，在上述流程图中，仅示出了对步进电动机1中的一个线圈4的电流控制，但对于另一个线圈5，也在指令电流值Ir的相位延迟π/2的状态下进行与上述相同的电流控制。

(利用步进电动机的驱动装置进行控制的效果)

利用上述步进电动机的驱动装置7进行的电流控制具有下述特征，即，检测指令电流值Ir的极性的切换，将电流偏差累积值Iei重置。

基于图7～图9，说明上述特征的效果。

对于由于电流偏差累积值Iei与指令电流值Ir相比极性切换延迟而引起的对指令电流值的追随性的下降，步进电动机1的驱动越高速，其越显著。

可知在图7所示的步进电动机1的低速驱动时，在上述驱动装置7的检测电流值Id和现有的PI控制的检测电流值Idm之间差较小，但在图8所示的中速驱动时，驱动装置7的检测电流值Id与现有的PI控制的检测电流值Idm相比，可以以接近指令电流值Ir的值进行追随，在图9中的高速驱动时，驱动装置7的检测电流值Id与现有的PI控制的检测电流值Idm相比，可以以接近指令电流值Ir的值且接近指令电流值Ir的相位进行追随。

如上所述，双极型2相步进电动机1的驱动装置7，如果检测出指令电流值Ir的极性的切换，则进行将电流偏差累积值Iei的值重置的处理，因此可以不添加微分控制的控制系统，而以较高的追随性对向步进电动机1的线圈中流过的电流进行反馈控制。特别地，在电动机的高速驱动时，可以抑制追随的延迟。

(其它)

另外，在上述步进电动机的驱动装置7中，例示出了CPU8的指令电流值Ir与微步相对应而输出的情况，但例如即使在步数更少的满步距驱动或半步距驱动的情况下也进行同样的电流控制，也是有效的。

另外，在驱动装置7中使用了DSP30，但也可以代替它，而使用可进行电流的读入处理的CPU、利用序列发生器的个人计算机、模拟电路。

Claims (2)

1.一种双极型2相步进电动机的驱动装置，其特征在于，

具有：

电流检测部，其检测向双极型2相步进电动机的线圈中流过的电流值；以及

控制部，其基于向所述线圈流入的指令电流值、和所述电流检测部的检测电流值之间的电流偏差，对所述线圈中流过的电流进行反馈控制，其中，向所述线圈流入的指令电流值是基于向所述双极型2相步进电动机输入的动作指令而得到的，

所述控制部求出所述电流偏差的累积值，利用该累积值和所述电流偏差的值，确定向所述线圈中流过的电流值，并且

如果切换所述指令电流值的正负极性，则将所述电流偏差的累积值重置，然后继续进行累积，

所述控制部根据该指令电流值和电流偏差的累积值的乘积值，对所述指令电流值的正负极性的切换进行判定。

2.根据权利要求1所述的双极型2相步进电动机的驱动装置，其特征在于，

所述控制部由DSP构成。