CN105553357A - 一种固定占空比步进电机恒流驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到电机控制技术领域，具体涉及一种固定占空比步进电机恒流驱动系统及方法。该系统包括控制单元、驱动电路、功率电路、步进电机、电流传感器以及保护电路；所述控制单元包括脉冲分配器、PWM发生器以及逻辑运算器；其特征在于：所述控制单元还包括比较器，所述比较器包括输入正端、输入负端以及输出端，输入负端连接步进电机绕组电流给定值，输入正端与电流传感器连接用于接收步进电机绕组电流反馈值；输出端与逻辑运算器相连。本发明的系统结构简单、运算过程简便、制造成本低，利用固定占空比PWM信号对电机恒流驱动，实现了电机的高性能控制。

Description

一种固定占空比步进电机恒流驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及到电机控制技术领域，具体涉及一种固定占空比步进电机恒流驱动系统及方法。

背景技术

步进电动机是一种将电脉冲信号转化为相应角位移的执行机构，其控制精度高，控制方式灵活方便，已广泛应用在航天、航空、电子等领域。在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和个数，而不受负载变化的影响。通过控制脉冲个数和脉冲频率分别实现电机的定位和调速。

步进电机转动时，当流经电机线圈的电流超过额定电流时，电机会产生很高的温升，有可能会烧毁电机；大电流易产生较大的电流畸变，导致电机转矩脉动、噪声加大，低速转动时易产生振动失步及停止时的过冲现象，最终导致电机运行稳定性和定位精度受到影响，故必须对电机电流进行控制。

传统电机恒流驱动技术一般采用电流闭环方式实现，即将相电流大小作为控制量，其给定值与反馈值实时比较，其差值经PID解算器或迟滞比较器，实时调整PWM占空比，达到调节电流目的。

图1所示为传统步进电机恒流驱动功能框图，其功能单元包括：控制单元1、驱动电路2、功率电路3、电流传感器4、保护电路5。

所述控制单元设于电路板上，用于实现步进电机恒流驱动控制功能，包括脉冲分配器7、PWM发生器8、A/D转换9、PID解算器或迟滞比较器10以及逻辑运算器11组成。

所述脉冲分配器依据脉冲信号和方向信号，产生步进电机开环控制逻辑，其输出端与逻辑运算器相连。

所述A/D转换用于采样电机绕组电流I_f，给定电流I₀与电机绕组电流I_f做差后，输入PID解算器。

所述PID解算器或迟滞比较器根据输入电流差值，实时解算PWM占空比，其输出端与逻辑运算器相连。

所述逻辑运算器结合脉冲分配器输出逻辑和PWM发生器发出的PWM信号，产生电机恒流驱动逻辑，其输出端与驱动电路相连。

所述驱动电路，输入端为控制单元，输出端为功率电路，用于控制功率管的通断。

所述功率电路，输入端为驱动电路，输出端为电机绕组，依据驱动逻辑实现对电机绕组电流的受控供电。

所述电流传感器，输入端为电机绕组，输出端为保护电路和控制单元，用于将电机绕组电流转换为电压信号。

所述保护电路，输入端为电流传感器，输出端为驱动电路，用于实现电机电流过流保护，当电机绕组电流超出限值则断开功率管。

图2所示为传统步进电机恒流驱动原理图，施加电压在线圈绕组上，每拍控制中，若电机绕组电流I_f超过电流给定值I₀，则通过减小PWM占比或关断所加的电压U，使电流减少；若电机绕组电流I_f低于所设定的电流I₀，则通过增大PWM占空比或打开所加的电压U，使电流增加至所设定的电流值I₀，如此反复，使电机绕组电流恒定。

传统步进电机恒流驱动的缺点在于：

1、大多采用模拟或数字电路实现，需要使用A/D转换芯片采集电机绕组电流，硬件电路结构复杂；

2、每拍控制中，需要根据反馈电流大小实时解算PWM占空比，软件灵活性差、复杂度高、可移植性和扩展性均较差。

因此，在满足电流闭环需求的前提下，如何降低软件设计复杂度、简化硬件设计，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为了有效地解决背景技术中的问题，本发明给出了一种结构简单、运算过程简便、制造成本低并且利用固定占空比PWM信号对电机恒流驱动的固定占空比步进电机恒流驱动系统及方法。

本发明的具体技术方案是：

本发明提出了一种固定占空比步进电机恒流驱动系统，包括控制单元、驱动电路、功率电路、步进电机、电流传感器以及保护电路；所述控制单元包括脉冲分配器、PWM发生器以及逻辑运算器；其改进之处是：控制单元还包括比较器，所述比较器包括输入正端、输入负端以及输出端，输入负端连接步进电机绕组电流给定值，输入正端与电流传感器连接用于接收步进电机绕组电流反馈值；输出端与逻辑运算器相连。

上述PWM发生器接收外部输入的固定占空比。

上述固定占空比为0.4～0.6，频率为6～20kHz。

基于上述的固定占空比步进电机恒流驱动系统，现提出该系统的方法，包括以下步骤：

1)设定步进电机绕组的电流给定值I₀，并将其输入至比较器负端；

2)通过电流传感器采集步进电机绕组的电流反馈值I_f，并将其发送至比较器正端；

3)通过比较器对步进电机绕组电流的电流反馈值I_f与步进电机绕组的电流给定值I₀进行比较；当I_f＞I₀时，比较器输出高电平，否则输出低电平；

在每拍控制中，当比较器输出端为低电平时，逻辑运算器输出信号为脉冲分配器输出的控制逻辑信号；

当比较器输出为高电平时，逻辑运算器输出为脉冲分配器输出的控制逻辑信号和PWM发生器输出的PWM信号相与的结果；逻辑运算器检测到比较器输出的高电平之后，不再响应比较器输出是否为高电平或者低电平，直到下一拍控制,再次响应比较器输出。

本发明的优点在于：

1、采用比较单元替代传统设计中的A/D转换和PID解算器或迟滞比较器，省去了A/D转换和PID解算器或迟滞比较器所对应的软、硬件资源，简化了软硬件设计；

2、PWM斩波占空比不再通过PID解算器或迟滞比较器实时解算，而采取固定输入方式，PWM斩波占空比信号不进行周期更新，降低了PWM发生器软硬件设计复杂度；

3、每拍控制中，逻辑运算器通过读取比较器输出的离散量信号，进行驱动信号斩波选择。当电机绕组电流小于给定电流时，不进行斩波；当检测到电机绕组电流第一次超过给定电流时起，对电机绕组端施加固定占空比PWM斩波电压，之后逻辑运算器不响应比较器输出，直到下一拍控制，再次响应比较器输出。该控制方法可以加大的简化软件设计，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为传统步进电机恒流驱动结构框图；

图2为传统步进电机恒流驱动原理图；

图3为本发明步进电机恒流驱动结构框图；

图4为本发明步进电机恒流驱动原理图。

具体实施方式

图3所示为本发明步进电机恒流驱动结构框图，本发明的一种固定占空比步进电机恒流驱动系统，包括控制单元1、驱动电路2、功率电路3、步进电机4、电流传感器5、保护电路6；控制单元包括脉冲分配器7、PWM发生器10以及逻辑运算器11；该系统的改进之处是：控制单元还包括比较器12，所述比较器包括输入正端、输入负端以及输出端，输入负端用于输入电机绕组电流给定值，输入正端与电流传感器连接用于接收电机绕组电流反馈值；输出端与逻辑运算器相连；

该系统采用比较单元替代传统设计中的A/D转换和PID解算器或迟滞比较器，省去了A/D转换和PID解算器或迟滞比较器所对应的软、硬件资源，简化了软硬件设计，使得系统结构简化，运算过程简单。

还需要说明的是：PWM发生器接收外部输入的固定占空比，该固定占空比为0.4～0.6，频率为6～20kHz。采用上述设计方式，降低了PWM发生器软硬件设计复杂度。

图4所示为本发明步进电机恒流驱动原理图，本发明的一种固定占空比步进电机恒流驱动方法，比较器工作包括以下步骤：

1)通过电流传感器采集电机绕组电流的电流值I_f，并将结果输入比较器正端；

2)设定电流给定值I₀，并将结果输入比较器负端；

3)通过比较器比较电机绕组电流的电流值I_f与电流给定值I₀进行比较，当I_f＞I₀时，比较器输出高电平，否则输出低电平。

每拍控制中，逻辑运算器综合脉冲分配器输出、PWM发生器输出和比较器输出信号，进行如下逻辑运算：

1)当比较器输出端为低电平时，逻辑运算器输出为脉冲分配器输出；

2)当比较器输出端第一次为高电平之后，逻辑运算器输出为脉冲分配器输出和PWM发生器输出相与的结果；

3)逻辑运算器检测到比较器输出的高电平之后，不再响应比较器输出，直到下一拍控制，再次响应比较器输出。

通过该方法可以看出，本方法在每拍控制中，逻辑运算器通过读取比较器输出的离散量信号，进行驱动信号斩波选择。当步进电机绕组电流小于给定电流时，不进行斩波；当检测到电机绕组电流第一次超过给定电流时起，对电机绕组端施加固定占空比PWM斩波电压，之后逻辑运算器不响应比较器输出，直到下一拍控制，再次响应比较器输出。该控制方法可以简化软件设计，提高了系统可靠性。

Claims (4)

1.一种固定占空比步进电机恒流驱动系统，包括控制单元、驱动电路、功率电路、步进电机、电流传感器以及保护电路；所述控制单元包括脉冲分配器、PWM发生器以及逻辑运算器；

其特征在于：所述控制单元还包括比较器，所述比较器包括输入正端、输入负端以及输出端，输入负端连接步进电机绕组电流给定值，输入正端与电流传感器连接用于接收步进电机绕组电流反馈值；输出端与逻辑运算器相连。

2.根据权利要求1所述的固定占空比步进电机恒流驱动系统，其特征在于：所述PWM发生器接收外部输入的固定占空比。

3.根据权利要求1或2所述的固定占空比步进电机恒流驱动系统，其特征在于：所述固定占空比为0.4～0.6，频率为6～20kHz。

4.根据权利要求3所述的固定占空比步进电机恒流驱动系统的方法，包括以下步骤：

1)设定步进电机绕组的电流给定值I₀，并将其输入至比较器负端；

2)通过电流传感器采集步进电机绕组的电流反馈值I_f，并将其发送至比较器正端；

3)通过比较器对步进电机绕组电流的电流反馈值I_f与步进电机绕组的电流给定值I₀进行比较；当I_f＞I₀时，比较器输出高电平，否则输出低电平；

在每拍控制中，当比较器输出端为低电平时，逻辑运算器输出信号为脉冲分配器输出的控制逻辑信号；

当比较器输出为高电平时，逻辑运算器输出为脉冲分配器输出的控制逻辑信号和PWM发生器输出的PWM信号相与的结果；逻辑运算器检测到比较器输出的高电平之后，不再响应比较器输出是否为高电平或者低电平，直到下一拍控制,再次响应比较器输出。