CN102624307A

CN102624307A - 一种步进电机的恒转矩驱动方法及其驱动电路

Info

Publication number: CN102624307A
Application number: CN2011100287987A
Authority: CN
Inventors: 刘美堂; 张永利; 张勇
Original assignee: Shandong Longertek Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Longertek Technology Co Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明涉及一种步进电机的恒转矩驱动方法及其驱动电路，采用电流闭环控制方式，首先将步进电机的脉冲及方向控制信号输入给单片机控制单元，单片机控制单元通过检测与放大电路获得在步进电机绕组上流过的电流大小，并将此检测电流与预先通过单片机控制单元的控制算法计算出的标准电流值相比较，根据比较的差值控制驱动电路，并输出该相绕组的调制波形，进而控制步进电机绕组上的电流的大小，使步进电机绕组上的电流为恒定值。本发明通过周期性的控制电机励磁线圈充放电及续流方式周期性的控制励磁线圈的电流变化，保证驱动电机高速平稳运行，具有输入电压高、转矩恒定、转动速度快、转矩波动小、运行功耗小、有效降低电磁噪音等优点。

Description

一种步进电机的恒转矩驱动方法及其驱动电路

技术领域

本发明涉及一种步进电机的恒转矩驱动方法及驱动电路，属于步进电机驱动技术领域。

背景技术

步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用。但是由于步进电机的步距角较大，一般为1.5°-3°，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。

实现步进电机的细分驱动，是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机支行平稳性的一种行之有效的方法。但传统的步进电机驱动方法存在驱动电压低、转矩不恒定、噪音大等不足。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种转矩恒定、电机运转平稳、噪音低的步进电机驱动方法。

本发明的另一个主要目的在于，提供一种转矩恒定、电机运转平稳、噪音低的步进电机驱动电路。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种步进电机的恒转矩驱动方法，采用电流闭环控制方式，具体包括如下步骤：

(1)将步进电机的脉冲及方向控制信号输入给单片机控制单元；

(2)单片机控制单元通过检测与放大电路获得在步进电机绕组上流过的电流大小，并将此检测电流与预先通过单片机控制单元的控制算法计算出的标准电流值相比较；

(3)通过检测电流值和当前位置的标准电流值比较的差值控制与电机绕组连接的驱动电路，并输出该相绕组的调制波形，进而控制步进电机绕组上的电流的大小，使步进电机绕组上的电流为恒定值。

其中，如果单片机控制单元收到下一步的脉冲信号以后，则调整电流标准值，使得当前流过绕组的电流调制为新的标准值。

在上述步骤(3)中，所述驱动电路为H桥驱动电路，功率管SW1和SW3分别连接于输入电压与一相绕组的两个端点之间的上桥臂上，功率管SW2和SW4分别连接于参考电位与该相绕组的两个端点之间的下桥臂上，每个功率管SW1、SW2、SW3、SW4再并联一个续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4，通过调整所述功率管SW1、SW2、SW3、SW4和续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4对所述绕组的充放电及续流方式，使电机绕组上的电流为恒定值。

在电流上升阶段，采用直流电源在步进电机绕组上直通的方式，使绕组电流迅速上升，上升到额定值时，采用功率管SW1、SW2、SW3、SW4与续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4配合的续流方式，使每相绕组上的电流保持恒定。

在电流下降阶段，采用混合降低的方式，首先采用位于H桥驱动电路上桥臂的功率管SW1、SW3关闭而功率管SW2、SW4导通的组合方式，使电流快速降低，降低至额定值时，再采用四个功率管SW1、SW2、SW3、SW4均关闭的组合方式，使电流慢速降低，保持电流恒定。

一种步进电机的恒转矩驱动电路，包括：

单片机控制单元，与输入的脉冲、方向控制信号连接，通过检测步进电机的输入信号控制步进电机的运转；

逻辑电路，与单片机控制单元的输出端连接，用于隔离和提高电路的驱动能力；

检测与放大电路，连接于绕组的输出端与单片机控制单元之间，用于实时反馈步进电机绕组流过的电流值；

驱动电路，与所述逻辑电路的信号输出端连接，控制电机绕组上的电流保持恒定，进而驱动步进电机恒转矩运转及控制步进电机的运转方向。

其中，所述驱动电路为H桥驱动电路，功率管SW1和SW3分别连接于输入电压与一相绕组的两个端点之间的上桥臂上，功率管SW2和SW4分别连接于参考电位与该相绕组的两个端点之间的下桥臂上，每个功率管SW1、SW2、SW3、SW4再并联一个续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4，功率管SW1、SW2、SW3、SW4分别与所述逻辑电路的信号输出端连接。

所述单片机控制单元为DSP或为PSOC。

所述步进电机的输入电压为110V。

综上内容，本发明所述的步进电机的恒转矩驱动方法及其驱动电路，在选择了合理的电流波形的基础上，基于单片机控制步进电机恒转矩细分驱动。该控制方法和电路实现电流闭环控制，并通过周期性的控制电机励磁线圈充放电及续流方式周期性的控制励磁线圈的电流变化，保证驱动电机高速平稳运行。

该方法具有输入电压高、转矩恒定、转动速度快、转矩波动小、运行功耗小，可靠性高，通用性好、有效降低电磁噪音等优点，恒转矩可保证电机在运行过程中更平稳，没有抖动，特别适合在定位精度要求较高的机械设备上使用。

该控制方法和电路可以适用于两相和三相步进电机。

附图说明

图1本发明驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本实施例以两相步进电机为例，进行详细说明。

如图1所示，一种步进电机的恒转矩驱动电路，包括单片机控制单元、逻辑电路、检测与放大电路及驱动电路。

其中，单片机控制单元：与输入的脉冲、方向控制信号连接，通过检测步进电机的脉冲及方向输入信号来相应地控制步进电机的运行情况，其中，方向信号表示的是步进电机运行方向，脉冲信号可以告诉单片机控制单元得到一个脉冲以后即控制电机走一步。

在单片机控制单元中实现的控制算法，可以根据电机的总电流计算出各相绕组的细分电流的标准值。单片机控制单元为DSP或为PSOC，其中，DSP的型号为56F8013，PSOC的型号为CY8C27543。

逻辑电路：与单片机控制单元的输出端连接，逻辑电路可以起到较好的隔离作用，减少驱动电路中的开关开闭时对单片机的干扰，同时，由于单片机的驱动能力较弱，逻辑电路还可以提高电路的驱动能力。

检测与放大电路：在电机每相绕组(AC和BD)的输出端与单片机控制单元之间都连接检测与放大电路，在电机每相绕组(AC和BD)的输出端与参考电位之间连接一采样电阻Re，检测与放大电路实时采样绕组电流，实时向单片机控制单元反馈步进电机AC绕组和BD绕组流过的电流值，实现电流闭环控制，单片机控制单元将检测到的电流值与当前位置的标准电流值比较，进而控制每相绕组上电流的大小。

驱动电路：为H桥驱动电路，

每相电机绕组的输出端均连接有H桥驱动电路，由逻辑电路控制，用于控制电机绕组上的电流保持恒定，进而驱动步进电机恒转矩运转及控制步进电机的运转方向。

H桥驱动电路包括四个功率管SW1、SW2、SW3、SW4及四个续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4，功率管SW1、SW2、SW3、SW4分别与逻辑电路的输出端连接。

功率管SW1连接于输入电压与绕组的A(B)点之间的上桥臂上，功率管SW2连接于绕组的A(B)点与参考电位之间的下桥臂上，功率管SW3连接于输入电压与绕组的C(D)点之间的上桥臂上，功率管SW4连接于绕组的C(D)点与参考电位之间的下桥臂上。在输入电压与功率管SW1的输出端之间并联一续流二组管VD1，在输入电压与功率管SW3的输出端之间并联一续流二组管VD3，在参考电位与功率管SW2的输入端之间并联一续流二组管VD2，在参考电位与功率管SW4的输入端之间并联一续流二组管VD4。

功率管SW1和SW4和续流二极管VD1和VD4，控制步进电机正转电流；功率管SW3和SW2和续流二极管VD3和VD2，控制步进电机反转电流。

本发明所述的步进电机的恒转矩驱动方法，采用电流闭环控制方式，具体包括如下步骤：

(1)将步进电机的脉冲及方向控制信号输入给DSP或为PSOC单片机控制单元。

(2)单片机控制单元通过检测与放大电路获得在步进电机绕组上流过的电流大小，并将此检测电流与预先通过单片机控制单元的控制算法计算出的标准电流值相比较。

如果单片机控制单元收到下一步的脉冲信号以后，则调整电流标准值，使得当前流过绕组的电流调制为新的标准值。

(3)通过检测电流值和当前位置的标准电流值比较的差值输出PWM信号，控制驱动电路中四个功率管SW1、SW2、SW3、SW4的关闭和导通，并输出该相绕组的调制波形，通过调整所述功率管SW1、SW2、SW3、SW4和续流二极管对所述绕组的充放电及续流方式，进而控制步进电机绕组上的电流的大小，使步进电机绕组上的电流为恒定值。

电流的稳定控制可以保证输出转矩的稳定，而电机控制中频繁的换相使电流的波形起伏较大，本发明根据功率控制管和二极管对电机绕组的充放电特点及续流方式，使电机两相合成电流为恒定值，从而保证电机平稳运转。

步进电机每相绕组电流的输出波形为正弦波形，在电流上升阶段，单片机控制单元控制功率管SW1和SW4导通，此时，直流电源在步进电机绕组上直通，步进电机正转，使绕组电流迅速上升，上升到额定值时，控制功率管SW1和SW4关闭，相应的续流二极管VD1和VD4起作用，使每相绕组上的电流保持恒定。

在电流下降阶段，采用混合降低的方式，首先控制功率管SW1关闭而功率管SW4导通的组合方式，使电流快速降低，降低至额定值时，再控制功率管SW1、SW4均关闭的组合方式，使电流慢速降低，保持绕组上的电流恒定。混合模式可兼顾电流纹波及电机高速旋转时的电流波形，使电机平稳低噪声高速运转。

相反，当步进电机反转时，在电流上升阶段，单片机控制单元号控制功率管SW3和SW2导通，使绕组电流迅速上升，上升到额定值时，控制功率管SW3和SW2关闭，相应的续流二极管VD3和VD2起作用，使每相绕组上的电流保持恒定。在电流下降阶段，首先控制功率管SW3关闭而功率管SW2导通的组合方式，使电流快速降低，降低至额定值时，再控制功率管SW3、SW2均关闭的组合方式，使电流慢速降低，保持绕组上的电流恒定。

为保证步进电机运转更加平稳，本实施例将步进电机的输入电压提高至110V。

如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种步进电机的恒转矩驱动方法，其特征在于，该方法采用电流闭环控制方式，具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的步进电机的恒转矩驱动方法，其特征在于：如果单片机控制单元收到下一步的脉冲信号以后，则调整电流标准值，使得当前流过绕组的电流调制为新的标准值。

3.根据权利要求1所述的步进电机的恒转矩驱动方法，其特征在于：在上述步骤(3)中，所述驱动电路为H桥驱动电路，功率管SW1和SW3分别连接于输入电压与一相绕组的两个端点之间的上桥臂上，功率管SW2和SW4分别连接于参考电位与该相绕组的两个端点之间的下桥臂上，每个功率管SW1、SW2、SW3、SW4再并联一个续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4，通过调整所述功率管SW1、SW2、SW3、SW4和续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4对所述绕组的充放电及续流方式，使电机绕组上的电流为恒定值。

4.根据权利要求3所述的步进电机的恒转矩驱动方法，其特征在于：在电流上升阶段，采用直流电源在步进电机绕组上直通的方式，使绕组电流迅速上升，上升到额定值时，采用功率管SW1、SW2、SW3、SW4与续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4配合的续流方式，使每相绕组上的电流保持恒定。

5.根据权利要求3所述的步进电机的恒转矩驱动方法，其特征在于：在电流下降阶段，采用混合降低的方式，首先采用位于H桥驱动电路上桥臂的功率管SW1、SW3关闭而功率管SW2、SW4导通的组合方式，使电流快速降低，降低至额定值时，再采用四个功率管SW1、SW2、SW3、SW4均关闭的组合方式，使电流慢速降低，保持电流恒定。

6.一种步进电机的恒转矩驱动电路，其特征在于：包括：

7.根据权利要求6所述的步进电机的恒转矩驱动电路，其特征在于：所述驱动电路为H桥驱动电路，功率管SW1和SW3分别连接于输入电压与一相绕组的两个端点之间的上桥臂上，功率管SW2和SW4分别连接于参考电位与该相绕组的两个端点之间的下桥臂上，每个功率管SW1、SW2、SW3、SW4再并联一个续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4，功率管SW1、SW2、SW3、SW4分别与所述逻辑电路的信号输出端连接。

8.根据权利要求6所述的步进电机的恒转矩驱动电路，其特征在于：所述单片机控制单元为DSP或为PSOC。

9.根据权利要求6所述的步进电机的恒转矩驱动电路，其特征在于：所述步进电机的输入电压为110V。