CN106033944A - 一种步进电机励磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机励磁方法。所述方法包括：步骤S1，导通电压开始励磁；步骤S2，每隔预定数量的励磁节拍后中断励磁并添加调整节拍；步骤S3，调整节拍持续预定时间后停止并恢复励磁；步骤S4，返回步骤S2。本发明可应用于对步进电机平稳性及速率要求相对较低的使用环境下，通过励磁算法调节的方法实现机构热平衡或改善机构共振，具有成本低，实现容易等优点。

Description

一种步进电机励磁方法

技术领域

本发明涉及电机励磁领域，特别涉及一种步进电机励磁方法。

背景技术

对于各种步进电机而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这种损耗叫做铜损。如果电流不是标准的直流或正弦波，步进电机在通电时还会产生谐波损耗；另外，铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这种损耗叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况。严重的发热会带来一些负面影响,如步进电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响步进电机的动态响应，高速会容易失步，因此如何减缓步进电机的发热是业内亟待解决的问题。

现有技术中，步进电机的励磁方法有三种，一相励磁、二相励磁、一二相励磁。一相励磁与二相励磁属于整步励磁，一二相励磁属于半步励磁。一相励磁又叫一相两拍励磁，二相励磁又叫二相两拍励磁，一二相励磁又叫一二相四拍励磁。

一相励磁时，步进电机按照方法循环通电，即A线圈通正向电压→B线圈通正向电压→A线圈通反向电压→B线圈通反向电压，每次只对一相通电，磁场旋转一周需要换相四次，转子转动一个齿距角。每送出一个励磁信号，步进电机旋转1.8度。一相励磁通电方法最为简单、精确度好、消耗电力小、发热小，但输出转距最小，震动较大。

二相励磁时，步进电机按照方法循环通电，即A线圈B线圈同时通正向电压→A线圈通反向电压B线圈通正向电压→A线圈B线圈同时通反向电压→B线圈通反向电压A线圈通正向电压，每次对两相同时通电，磁场旋转一周需要换相四次，转子转动一个齿距角。每送出一个励磁信号，步进电机旋转1.8度。二相励磁输出转矩大，震动小，不易产生失步，但是消耗电力大，发热大。

一二相励磁时，步进电机按照方法循环通电，即A线圈通正向电压→A线圈B线圈同时通正向电压→B线圈通正向电压→B线圈通正向电压A线圈通反向电压→A线圈通反向电压→A线圈B线圈同时通反向电压→B线圈通反向电压→B线圈通反向电压A线圈通正向电压。一二相励磁是一相励磁和二相励磁交替使用的方法。磁场旋转一周需要换相八次，转子才转过一个步距角，属于半步的方式，也就是说一二相励磁时的步距角比前两种方式的步距角小一半，所以步进精度提高了一倍。

以上励磁方法均存在一些问题，例如设备输出力矩与设备温升不平衡，在某些固定的使用环境下，会产生电机运行与机构共振的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种步进电机励磁方法，通过在步进电机的励磁周期内添加调整节拍，在对步进电机平稳性及速率要求相对较低的使用环境下，改善步进电机发热严重以及步进电机与机构共振的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种步进电机励磁方法，包括：步骤S1，导通电压开始励磁；步骤S2，每隔预定数量的励磁节拍后中断励磁并添加调整节拍；步骤S3，调整节拍持续预定时间后停止并恢复励磁；步骤S4，返回步骤S2。

可选的，所述预定数量的励磁节拍为一个励磁周期。

可选的，所述预定数量的励磁节拍为一个励磁节拍。

可选的，所述调整节拍是与电机的励磁周期相同的信号。

可选的，所述调整节拍是与电机的励磁节拍相同的信号。

其中，所述调整节拍的时间长度由步进电机的速度、力矩与平稳性确定。

可选的，所述调整节拍是电机所有相线圈均不导通的空闲节拍。

可选的，所述调整节拍是电机所有一个相线圈或多个相线圈导通的非空闲节拍。

优选的，所述调整节拍的频率与电机励磁频率相同。

如上所述，本发明采用在常规的励磁顺序中添加空闲间隔的励磁方法，在一定速度范围内，通过调整空闲间隔的长度，在满足输出力矩与平稳性的前提下，改善电机自身的发热量。

附图说明

图1a是现有技术中二相两拍励磁的励磁周期图；

图1b是现有技术中二相两拍励磁顺序表；

图2是根据本发明实施方式的步进电机励磁方法流程图；

图3a是本发明第一实施方式的励磁方法流程图；

图3b是本发明第一实施方式的励磁方法的顺序表；

图3c是本发明第一实施方式的励磁方法的周期图；

图4a是本发明第二实施方式的励磁方法流程图；

图4b是本发明第二实施方式的励磁方法的周期图；

图4c是本发明第二实施方式的励磁方法的顺序表。

具体实施方法

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方法并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在现有的励磁方法中，任何一种励磁方法在励磁周期内每一时刻都是有相线圈处于导通状态的。但实际使用的某些低速点位下，电机可能存在过热现象，或者在某些特定使用环境下，电机与机构共振严重。以下以现有技术中的二相两拍励磁方法为例来说明现有技术的弊端。

图1a是现有技术中二相两拍励磁的励磁周期图，图1b是现有技术中二相两拍励磁顺序表。

如图1所示，字母Y表示线圈通电压，字母N表示线圈不通电压，A表示线圈A通正向电压，表示A线圈通反向电压，B表示线圈B通正向电压，表示B线圈通反向电压。在每个励磁周期内(即第一周期、第二周期、第三周期)，步进电机都按照顺序通电，即在第一周期的顺序时间范围t₁—t₄内，步进电机的励磁顺序为：

t₁：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₂：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₃：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₄：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压。

同理，在第二周期的顺序时间范围t₅—t₈内，步进电机的励磁顺序为：

t₅：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₆：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₇：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₈：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压。

同理，在第三周期的顺序时间范围t₉—t₁₂内，步进电机的励磁顺序为：

t₉：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₁₀：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₁₁：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₁₂：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压。

可见，现有技术中二相两拍励磁的励磁方法中，每个周期的步进电机的励磁的顺序为：其中，AB表示：A线圈B线圈同时通正向电压；表示：A线圈通反向电压B线圈通正向电压；表示：A线圈B线圈同时通反向电压；表示：B线圈通反向电压A线圈通正向电压。

由上述可知，现有技术的二相两拍励磁方法中，步进电机的整个励磁过程是一个周期性的循环过程，整个励磁过程中的每一时刻都是有相线圈处于通电状态。由于相线圈不间断的通电，因此步进电机会不间断的产生热量，容易引起电机过热，从而影响步进电机的效率。

为改进现有技术中存在的缺陷，本发明采用在常规的励磁顺序中添加空闲间隔的励磁方法，在一定速度范围内，通过调整空闲间隔的长度，在满足输出力矩与平稳性的前提下，改善电机自身的发热量。

图2是根据本发明实施方式的步进电机励磁方法流程图。

步骤S1，导通电压开始励磁。

步进电机在正常运转情况下，在任何时刻均有相线圈导通电压(正压或负压)进行励磁。

现有技术中，由于相线圈不间断的通电，因此步进电机会不间断的产生热量，容易引起电机过热，从而影响步进电机的效率。

步骤S2，每隔预定数量的励磁节拍后中断励磁并添加调整节拍。

在本发明实施方式的步进电机励磁方法中，例如通过设置定时中断装置，使得每隔预定数量的励磁节拍后，断开线圈的导通电压，从而实现定时的中断励磁。可选的，在励磁中断过程中，可在步进电机的励磁周期之内和/或励磁周期之间添加调整节拍，使得电机的一相或多相或所有相不导通，从而可以改善一些使用环境下电机发热严重及电机与机构共振问题。励磁节拍是指步进电机励磁时一相的保持时间；空闲节拍是指所有线圈均无电流通过的一段时间，其持续时长可能等于励磁节拍时长,也可以不等。

在本发明的一个优选实施例中，调整节拍优选的为与电机励磁频率相同的调整节拍，可以达到较佳的调整效果。

在本发明的另一优选实施例中，调整节拍是电机所有相均不导通的空闲节拍。

在本发明的另一优选实施例中，所述预定数量的励磁节拍是励磁周期，也就是说，每隔一个励磁周期后中断励磁并添加调整节拍。

在本发明的另一优选实施例中，所述预定数量的励磁节拍是一个励磁节拍，也就是说，每隔一个励磁节拍后中断励磁并添加调整节拍。

步骤S3，调整节拍持续预定时间后停止并恢复励磁。

调整节拍会持续一定的时间长度，在该时间内，电机处于调整节拍期间，电机的一相或多相或所有相不导通。调整节拍持续时间达到预定时间后，即停止调整节拍，恢复原有的励磁，然后返回步骤S2。

本发明中，调整节拍持续的时间长度可以根据具体的调整要求预先设置，可以是恒定的时间长度，也可以是变化的时间长度。在本发明的一个优选实施例中，调整节拍的持续时间与电机的励磁周期长度相同，即调整节拍持续一个励磁周期的时间长度后停止，并恢复正常励磁。

在本发明的另一个优选实施例中，调整节拍的持续时间与电机的励磁节拍长度相同，即调整节拍持续一个励磁节拍的时间长度后停止，并恢复正常励磁。

步骤S4，返回步骤S2。

在调整节拍达到预定时间并停止后，恢复正常的励磁，返回步骤S2继续执行，在经过预定数量的励磁节拍后，再次触发励磁中断，添加调整节拍，如此循环往复。

图3a是本发明第一实施方式的励磁方法流程图，图3b是本发明第一实施方式的励磁方法的顺序表，图3c是本发明第一实施方式的励磁方法的周期图。

本实施例的励磁方法为：在正常的励磁顺序中添加空闲间隔的调整节拍，调整节拍介于励磁周期之间，空闲间隔的调整节拍含义为：特定时间段内，没有任何线圈处于通电的状态。

如图3a所示，本发明第一实施方式的励磁方法包括下述步骤：

步骤S11，导通电压开始励磁。

步骤S12，每隔一个励磁周期后中断励磁并添加空闲节拍。

每隔一个励磁周期后中断励磁，添加一个空闲节拍，以实现对励磁的调整。励磁节拍是指步进电机励磁时一相的保持时间；空闲节拍是指所有线圈均无电流通过的一段时间，其持续时长可能等于励磁节拍时长,也可以不等。

步骤S13，空闲节拍持续预定时间后停止并恢复励磁。

空闲节拍的时间长度可以在一定速度范围内调整，实现在满足输出力矩与平稳性的前提下，较为有效的改善电机自身的发热量。优选的，空闲节拍是一个励磁节拍的时间长度。

在本实施例中，以二相两拍励磁方法为例进行说明。

参见图3b和图3c，本实施例中，在步进电机的整个励磁过程包括多个励磁周期，例如第一周期、第二周期和第三周期。通过上述励磁方法，得出的励磁顺序为：即A线圈B线圈同时通正向电压→A线圈通反向电压B线圈通正向电压→A线圈B线圈同时通反向电压→B线圈通反向电压A线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电。

具体来说，在每个励磁周期内(例如第一周期、第二周期、第三周期)，步进电机都按照即在第一周期的顺序时间范围t₁—t₄内，步进电机的励磁顺序为：

t₁：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₂：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₃：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₄：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压。

在第一周期之后，第二周期之前，增加空闲间隔，空闲间隔为t₅：A线圈、B线圈均不通电。

同理，在第二周期的顺序时间范围t₆—t₉内，步进电机的励磁顺序为：

t₆：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₇：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₈：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₉：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压；

在第二周期之后，第三周期之前，增加空闲间隔，空闲间隔为t₁₀：A线圈、B线圈均不通电。

同理，在第三周期的顺序时间范围t₁₁—t₁₄内，步进电机的励磁顺序为：

t₁₁：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₁₂：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₁₃：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₁₄：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压。

在第二周期之后，第三周期之前，增加空闲间隔，空闲间隔为t₁₅：A线圈、B线圈均不通电。

以上是针对二相两拍励磁方法为例进行说明，但本发明不限制于此，也可以适用于其他励磁方法，例如一相励磁、一二相励磁等。

对于一相励磁方法的情况，通过本发明的方法改进后的励磁顺序为：步进电机按照即A线圈通正向电压→B线圈通正向电压→A线圈通反向电压→B线圈通反向电压→A线圈B线圈均不通电。

类似的，对于一二相励磁方法的情况，通过本发明的方法改进后的励磁顺序为：步进电机按照 即A线圈通正向电压→A线圈B线圈同时通正向电压→B线圈通正向电压→B线圈通正向电压A线圈通反向电压→A线圈通反向电压→A线圈B线圈同时通反向电压→B线圈通反向电压→B线圈通反向电压A线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电。

图4a是本发明第二实施方式的励磁方法流程图，图4b是本发明第二实施方式的励磁方法的周期图,图4c是本发明第二实施方式的励磁方法的顺序表。

本实施例的励磁方法为：在正常的励磁顺序中添加空闲间隔的调整节拍，调整节拍介于励磁节拍之间，空闲间隔的调整节拍含义为：特定时间段内，没有任何线圈处于通电的状态。

如图4a所示，本发明第一实施方式的励磁方法包括下述步骤：

步骤S21，导通电压开始励磁。

步骤S22，每隔一个励磁节拍后中断励磁并添加空闲节拍。

每隔一个励磁节拍后中断励磁，并添加一个空闲节拍，在空闲节拍持续期间没有任何线圈处于通电状态。通过这种空闲节拍调整励磁。

步骤S23，空闲节拍持续预定时间后停止并恢复励磁。

空闲节拍的时间长度可以在一定速度范围内调整，实现在满足输出力矩与平稳性的前提下，较为有效的改善电机自身的发热量。优选的，空闲节拍是一个励磁节拍的时间长度。

本实施例中，以二相两拍励磁方法为例进行说明。

参见图4b和图4c，本实施例中，在步进电机的整个励磁过程包括多个励磁周期，例如第一周期、第二周期和第三周期。通过上述励磁方法，通过上述励磁方法，得出的励磁顺序为： 即A线圈B线圈同时通正向电压→A线圈B线圈均不通电→A线圈通反向电压B线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电→A线圈B线圈同时通反向电压→A线圈B线圈均不通电→B线圈通反向电压A线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电。

具体来说，在每个励磁周期内(例如第一周期、第二周期、第三周期)，步进电机都按照 即在第一周期的顺序时间范围t₁—t₈内，步进电机的励磁顺序为：

t₁：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₂：A线圈、B线圈均不通电；

t₃：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₄：A线圈、B线圈均不通电；

t₅：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₆：A线圈、B线圈均不通电；

t₇：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压；

t₈：A线圈、B线圈均不通电。

同理，在第二周期的顺序时间范围t₉—t₁₆内，步进电机的励磁顺序为：

t₉：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₁₀：A线圈、B线圈均不通电；

t₁₁：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₁₂：A线圈、B线圈均不通电；

t₁₃：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₁₄：A线圈、B线圈均不通电；

t₁₅：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压；

t₁₆：A线圈、B线圈均不通电。

同理，在第三周期的顺序时间范围t₁₇—t₂₄内，步进电机的励磁顺序为：

t₁₇：A线圈和B线圈同时通正向电压；

t₁₈：A线圈、B线圈均不通电；

t₁₉：A线圈通反向电压，B线圈通正向电压；

t₂₀：A线圈、B线圈均不通电；

t₂₁：A线圈和B线圈同时通反向电压；

t₂₂：A线圈、B线圈均不通电；

t₂₃：A线圈通正向电压，B线圈通反向电压；

t₂₄：A线圈、B线圈均不通电。

以上是针对二相两拍励磁方法为例进行说明，但本发明不限制于此，也可以适用于其他励磁方法，例如一相励磁、一二相励磁等。

对于一相励磁方法的情况，通过本发明的方法改进后的励磁顺序为：步进电机按照 即A线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电→B线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电→A线圈通反向电压→A线圈B线圈均不通电→B线圈通反向电压→A线圈B线圈均不通电。

类似的，对于一二相励磁方法的情况，通过本发明的方法改进后的励磁顺序为：步进电机按照 即A线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电→A线圈B线圈同时通正向电压→A线圈B线圈均不通电→B线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电→B线圈通正向电压A线圈通反向电压→A线圈B线圈均不通电→A线圈通反向电压→A线圈B线圈同时通反向电压→A线圈B线圈均不通电→B线圈通反向电压→A线圈B线圈均不通电→B线圈通反向电压A线圈通正向电压→A线圈B线圈均不通电。

本发明采用一种在现有励磁方法的励磁顺序中添加空闲间隔的励磁方法，在一定速度范围内，通过调整空闲间隔的长度，在满足输出力矩与平稳性的前提下，改善电机自身的发热量。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方法仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种步进电机励磁方法，其特征在于，包括：

步骤S1，导通电压开始励磁；

步骤S2，每隔预定数量的励磁节拍后中断励磁并添加调整节拍；

步骤S3，调整节拍持续预定时间后停止并恢复励磁；

步骤S4，返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的步进电机励磁方法，其特征在于，所述预定数量的励磁节拍为一个励磁周期。

3.根据权利要求1所述的步进电机励磁方法，其特征在于，所述预定数量的励磁节拍为一个励磁节拍。

4.根据权利要求1所述的一种步进电机励磁方法，其特征在于，所述调整节拍是与电机的励磁周期相同的信号。

5.根据权利要求1所述的一种步进电机励磁方法，其特征在于，所述调整节拍是与电机的励磁节拍相同的信号。

6.根据权利要求1所述的一种步进电机励磁方法，其特征在于，所述调整节拍的时间长度由步进电机的速度、力矩与平稳性确定。

7.根据权利要求1所述的一种步进电机励磁方法，其特征在于，所述调整节拍是电机所有相线圈均不导通的空闲节拍。

8.根据权利要求1所述的一种步进电机励磁方法，其特征在于，所述调整节拍是电机所有一个相线圈或多个相线圈导通的非空闲节拍。

9.根据权利要求1所述的一种步进电机励磁方法，其特征在于，所述调整节拍的频率与电机励磁频率相同。