CN105553357B - 一种固定占空比步进电机恒流驱动系统及方法 - Google Patents
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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
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If，给定电流I0与电机绕组电流If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If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If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If，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If与步进电机绕组的电流给定值I0进行比较；当If＞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If，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If与电流给定值I0进行比较，当If＞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 (1)
1.一种固定占空比步进电机恒流驱动方法，采用的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；
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；
所述PWM发生器接收控制单元发送的固定占空比；所述固定占空比为0.4～0.6，频率为6～20kHz；
利用该驱动系统执行以下步骤实现驱动：
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If，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If与步进电机绕组的电流给定值I0进行比较；当If＞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。
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