CN1073059A - 步进电机转矩均衡及无滞后恒流控制技术和装置 - Google Patents

Abstract

本发明是对步进电机驱动控制技术的一种改 进。本发明运用微机控制和新的电路技术，采取根据 通电相数增减调节各相绕组馈入功率的方法克服典 型的半步和半步细分驱动方式存在的因通电相数周 期变化而引起的转矩波动，使电机运行更趋平稳，转 矩均衡，同时在以软件实现开关型多细分脉冲分配和 无滞后恒流控制二项技术的支持下，实现步进电机微 步距驱动可靠性和运行矩频特性的提高。

Description

本发明属自动控制领域的特种电机-步进电机的驱动和控制技术改进。

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）的电磁机械装置。即每给一个电脉冲，它就按固定步距（角度或长度）走一步。因此具有控制容易、定位准确等优点，因而被数字和计算机控制系统广泛采用。但也存在着运转平稳性差、步距大、易产生抖动、输出转矩变化等缺点。

Ⅰ、现有技术缺陷：

一、为了提高步进电机运转的平稳性和减小步距所采用的技术存在着转矩波动和可靠性差的问题：

1、一般采用通常的半步驱动方法，这种方法使电机各相绕组的馈电状态组合提高一倍、步距减小一倍。

表1为三相步进电机“三相单三拍”和“三相六拍”馈电时绕组通、断电序列表：

表1：三相单三拍和三相六拍（半步）方式馈电状态表：

（表中“1”代表通电，“0”代表断电）

由表1中可见，三相六拍由三相三拍的三种馈电状态上升为六种，步距角则减至三相三拍的1/2。这使定位精度提高的同时，运转跳动情况也有所改善。但却出现了通电相数的变化，从而引起输出转矩变化。

2、在高精度或要求运转更平稳情况下，则采用细分驱动方式。这是将每一相绕组的通、断电分若干次完成，即实现将每一步分成若干步走，实现更小的步距。这种细分方式通常都是在前述半步驱动方式基础上采用，从而使步距更小一些，因此也带进了转矩波动的缺陷。细分驱动方式中，细分数较多（2细分以上）时，尚存在由于脉冲分配器电路产生了大量冗余状态，电机产生无规律跳动或转矩波动等问题使电机运行变得不可靠。表2即是开关式三相六拍二细分馈电方式的绕组通、断电序列表：

表2：三相六拍二细分方式馈电状态表

表中：“1”表示馈电，“0”表示断电。

可见表2即是在表1三相六拍基础上，将每相绕组馈电分两次完成。如第二步，当B₁＝1，B₂＝0时，B相绕组仅馈入表1第二步功率的1/2，电机运行步距也为其1/2。当B₁＝B₂＝1时，B相绕组才得到和表2第二步相同的馈入功率，电机转子经过两次转动才到达和表1三相六拍第二步相同的位置。

二种减小步矩驱动方式所采用技术均涉及到通电相数周期变化，因此均会引起转矩的周期波动，造成平均转矩下降。

二、通常的恒流驱动电路，其控制和取样元件存在着滞后和转换失真，对控制脉冲的高、低频成份不能及时和准确响应，使相电流波形产生明显畸变如附图1，这使电机在运行中产生明显的中，低频抖动，引起噪音的同时亦降低了输出转矩。

综上所述，可以知道，现有技术没有解决半步细分驱动方式产生的转矩波动，“冗余”状态和电机的中、低频抖动问题。

Ⅱ、发明内容：

本发明的目的，首先是要克服步进电机在典型的半步运行方式或在此基础上的其他更复杂运行方式（如半步细分方式）下因馈电相变化而引起的转矩呈周期波动问题，也就是转矩均衡控制;其次是为了使电机消除中，低频抖动和在较高速度时更有效地实现转矩均衡控制;最后，还要消除转矩均衡技术在半步多细分方式中运用时的“冗余状态”。

首先，本发明采用根据馈电相数多少自动调节馈电功率的方法，以克服波动，实现转矩均衡。这可以由：A微机控制法和B纯硬件法二种方法实现。

A、微机控制法：通过对馈电相数多少的判别，来控制馈给电机绕组功率的增减实现转矩均衡控制。附图2是采用单片机控制实现三相电机转矩均衡的硬件原理图。图中IC₁可以是各型单片微机或各类并行I/O口芯片，本发明采用MCS-51系列单片机，电路为三相电机六拍驱动方式。

A1、B1、C1分别为三个相电流取样输入端;三个相电流转矩均衡控制信号输出端分别是Ao、Bo和Co，P₁、P₂、P₃分别为电机A、B、C三相绕组馈电脉冲输出口，它们都必须和转矩自动控制口Po和相电流取样信号端A1或B1、C1的信号一起通过与门电路IC₄实现电机绕组电流的通断和大小的控制。Po位为电流调节信号输出口，当三相电机出现馈电相数，由一相增为二相的变化，如为A、B相馈电，则Po口发出高电平，选通与非门IC_2A，和IC_2B，使应馈电相电流取样输入端A1和B1的电压值直接成为相电流控制参考值，通过关闭与门IC_4A和IC_4B实现较小相电流控制。当馈电下一拍到来，馈电相数由二相减为一相，如B相时，Po口发出低电平，关闭IC_2A和IC_2B门，则IC_4B的关闭信号取自反相器IC_3B，即采用取样输入电压经分压器（由R₁和R₂组成，改变其比值可实现电流微调）分压的较小电压值为相电流控制参考点，实现较大电流的控制。

采用其它型号微机和其它规格步进电机情况类似。

附图3是采用微机实现转矩均衡和状态输出控制的专用子程序流程框图。从图中可见其在取代硬件式环形脉冲分配器馈电状态输出功能的同时，还根据通电相数多少，进行馈电功率调节，从而实现转矩均衡控制，该子程序被主程序调用。

附图4是采用微机实现转矩均衡控制的实施例2的主程序流程图。转矩均衡控制（和状态输出程序一起）在运行升速、高速和减速阶段被调用。

B、纯硬件法：采用纯硬逻辑电路，亦可对馈电状态判别并实现馈入电流调节来达到转矩均衡控制。附图5是纯硬件式三相电机六拍运行转矩均衡控制的电原理图。图中Ao，Bo，Co分别为电机A、B、C三相绕组馈电控制信号输出端。其电平高低受与门电路IC₁-IC₃输入端反相器IC₄-IC₉的控制。当馈电相数为1相时，与门IC₁₀-IC₁₂的输出端因输入端仅有1路获得由控制取样输入端（A1，B1，C1）输入的取样信号电压而处于低电平，因此IC₄-IC₆输出端为高电平，不随取样电压值升高而跳变为低电平。其时，IC₁-IC₃输出电平受IC₇-IC₉控制，反相器IC₇-IC₉输入端由于有R₁-R₆组成各自的分压电路的分压作用，跳变需输入端（A1或B1，C1）有较高的取样电压输入：这样就实现了相电流增大的控制。

当馈电相数由一相变为二相时，与门IC₁₀-IC₁₂中必有也仅有一只的二输入端同时获得输入的取样信号。由于该取样信号未经分压，其值大于IC₇-IC₉输入端电压，因而可在相电流小于一相通电电流值，IC₇-IC₉尚未跳变时即关断此二相电流，使二相馈电时的电流值小于单相馈电的电流值。同样，调节R₁、和R₂，R₃和R₄，R₅和R₆的比值，可实现单、双相馈电电流值比例的改变，实现转矩的均衡或近似均衡。

对于A微机控制法和B纯硬件法实现馈人绕组功率的改变，都可以用下面两个方法实现：

1、电流调节法：根据馈电相数的多少，改变电流取样电路的取样值，即改变恒流控制电路输入端的控制信号，实现改变馈入电机绕组电流的设定值，达到消除转矩波动的目的。此法在电机低、中速以下的常用运行范围具有明显的调节效果。

2、脉冲宽度调节法：当电机经升速运行进入中、高速以上范围，由于电机绕组反电动势的影响，使每个脉冲在电机绕组中形成的电流值来不及达到恒流控制电路的设定值，脉冲即已结束，因而若用上述措施则达不到调节脉冲电流值的作用。但采用改变电流脉冲的宽度，改变其占空比来实现馈电功率调节可以取得很好的效果，因为脉宽的改变在这种情况下即实现了绕组电流的改变。此法在低、中频时亦可采用，把一个驱动脉冲用斩波法分解成一串脉冲，当斩波频率高至和电机高频运行类似情况时，相电流被电机绕组反电动势抵抗已出现达不到恒流控制电路的设定值时即可。当然，把脉冲分斩成脉冲串会带来控制的复杂性和其它一些技术问题，故低、中速时采用电流控制法更为直接可靠。

其次，本发明为了使电机消除中，低频抖动和在较高速度时更有效地实现转矩均衡控制，采用了无滞后恒流控制这一技术。由于一般的恒流控制电路中恒流控制元件采用脉冲变压器，其滞后响应特性不仅造成整定值上、下限范围变大，控制频率无法提高，而且由于电感型元件本身工艺一致性差，加之其反电动势易干扰取样电路，使得到的电流波形更为复杂和不一致，见附图1，图中第1个电流尖峰超过了整定上限较多而整个脉冲顶部呈大幅度波动，是造成电机音频抖动和转矩下降的主要原因。

为了克服滞后和失真造成电机的音频抖动和转矩下降，本发明在驱动电路中革除了如附图6所示的脉冲变压器类电感型元件，采用如附图7虚线框内的晶体管和光电耦合器电路。

附图6是通常采用的恒流控制元件，脉冲变压器原理图。

附图7是采用无滞后恒流控制技术的步进电机绕组馈电功率驱动电路之一相的电原理图。图中L表示电机绕组，T₁为恒流控制管，本发明中实施例2采用大功率达林顿晶体管BU932。其输入端“GZ”虚框内用光电耦合器GO和由T₃、T₄、R₂、R₃组成的激励电路取代了易产生控制信号滞后和畸变的传统元件-脉冲变压器。

T₂管发射极电阻R₁为电流取样电阻，无滞后的控制特性，使其可减至极小值以减小功耗。虚线框QY中的取样元件通常用施密特触发器。由于其固有的回差电压，不利于对滞后性的克服。本发明采用反向器（或视逻辑需要改用驱动门）可配合恒流控制电路实现趋于理想的驱动电流波形，见附图8。采用本发明方法，不仅波形的顶部失真得到改善，消除了电机音频抖动，使电机运行平稳，使转矩均衡控制取得显著效果，同时也提高了步进电机驱动电路的效率和电机运行转矩。

最后，为了克服半步多细分驱动方式中的脉冲分配电路存在的“冗余状态”（当细分数较多时，会产生大量的“冗余状态”）如实施例1中的五相十拍四细分，若采用硬电路脉冲分配器，其多达20路的脉冲输出端，开关状态组合可多达2²⁰。而五相十拍四细分方式中所需的有序馈电组合仅40种，剩下的即是“冗余状态”。电机在运行中，很容易进入其中，由于分配器的逻辑关系使下一步状态由上一状态决定。一旦进入“冗余状态”即无法自行返回。采用人工或复杂的反馈控制电路虽可强行返回，但需经若干步错误馈电之后，这就造成电机不规则跳动，转矩波动或是停转。

本发明采用微机控制，将各种细分式驱动所需的通电状态的组合码，参见表2，直接（当码长≤微机位数）或分段（如实施例1码长即达20位，而中子衍射仪用8位微机，需分为三段）存入微机存贮器内，循环读取从I/O口并行输出至各驱动电路入口，则可使步进电机的多细分驱动方式因脉冲分配的高可靠性而在高精度系统中获得实用，见本发明的实施例1。

实施例：

1、中子衍射仪驱动控制系统：附图9是中子衍射仪组成框图，由中子衍射仪本体和驱动控制系统两部分组成。本体分为样品台轴系和探测臂轴系，各有一台90BF006步进电机拖动定位。驱动控制系统见附图10（图10是中子衍射仪2只高精度五相步进电机以十拍四细分方式驱动的原理框图）。为了运转的平稳和定位的高精度，采用五相十拍细分的微步距驱动方式。所选用电机为国内步距最小的90BF006型。当采用典型的半步运行方式时，每周1000步，步距角可小至0.36°，而使用微机控制实现将每步细分为四步的微步距驱动时，步距角仅为0.09°。本发明所采用的开关式细分其驱动电路具有较高的可靠性，但需设置较多路驱动电路，图10中电机每相绕组馈电分四步馈满额定值，采用各路驱动电流平均分配方式则需四路功率放大电路。这样每只电机共需20路，两台电机则需40路之多（还可以采用每路提供的驱动电流以8、4、2、1的倍数关系分配，用微机程序设定控制其组合，则四路功率驱动电路可实现多达十五细分的馈电）。

对各功率驱动电路的选通和组合，即是传统的环形分配器功能，由于以硬电路实现的多细分脉冲分配具有过多的“冗余状态”，使电机运行产生前述的无规则跳动或转矩波动而无法应用。本实施例用微机控制以软件编程法实现其多细分的脉冲分配各路电流平均分配和采用上述的指数递增分配法都可以方便地以程序实现。实施例1设计时考虑各路功率元件的承受电流能力，采用平均分配法，把90BF006电机每相绕组的额定电流3A平均分至每路功率放大器提供0.75A。

本例中还采用微机控制绕组电流增减，以实现绕组功率调节，从而克服转矩的周期波动，实现运行平稳和转矩均衡;设计的五相十拍四细分的软件脉冲分配技术，获得了步进电机微步距多细分驱动的高可靠性。

附图11是本例细分脉冲分配的软件流程图，因采用五相十拍四细分控制方式时，馈电状态字序列长达40组，每组码长达20bt，8位机需3个字节贮存一组。典型的五相十拍半步驱动方式中，馈电相数一般为二相和三相两种，四细分时，当馈电路数＞8，则表示第三相绕组开始接通，按转矩均衡控制要求，需减小电流。由于系统在高精度低速状态下运行，故驱动功率调节即采用固定的电流调节法。

2、意大利6000型包装机DELTA-P走纸驱动控制系统：用本发明转矩均衡技术实现国产110BF003型步进电机以三相六拍方式运行馈电绕组数变化时的馈入功率调整。附图12即是本实施例6000型包装机DELTA-P进纸驱动控制系统组成框图，采用单片微机进行典型的三相六拍半步驱动方式的脉冲分配，并根据馈电相数的变化而控制相电流值的增减，使得以小步距运行中的转矩在相邻步间克服了波动，实现了转矩均衡和平均转矩的提高。

本例中的电机属功率型，属于高速运行。对其绕组馈入功率自动调节，尚需对恒流电路控制的滞后和相电流波形畸变进行改进，只有在这一技术的配合下，才能更有效地实现转矩均衡控制，本发明采用光电耦合器和晶体管等组成的电路，以及无滞后取样元件（驱动门或反向器等）对恒流控制和取样中脉冲变压器，施密特触发器等元件进行取代，这就是本发明的无滞后恒流控制技术。

Claims (4)

1、一种使步进电机在典型的半步运行方式和半步细分运行方式中实现转矩均衡运转平稳可靠及实现无滞后恒流控制的技术，其特征在于：

A、步进电机转矩均衡技术是根据通电相数多少，使用：

a、微机控制法

b、纯硬件法

根据对馈电相数多少的判别，来控制馈给电机绕组功率的增减，实现转矩均衡控制；

B、在开关型细分驱动方式中，以微机技术的软件编程实现高可靠的脉冲分配，从而克服了“冗余状态”引起的运转不正常现象；

C、无滞后恒流技术则是在驱动电路中去除了传统的脉冲变压器类电感型元件，换之以晶体管和光电耦合器。

2、如权利要求1所述的一种使步进电机在典型的半步运行方式和半步细分运行方式中实现转矩均衡、运转平稳可靠及实现无滞后恒流控制的技术，其特征在于，如权利要求1所述的使步进电机转矩均衡技术是根据通电相数多少使用：a，微机控制法;b、纯硬件法，实现馈人绕组功率的改变，而这种功率改变可以使用：a）电流调节法;b）脉冲宽度调节法。

3、如权利要求1所述的一种使步进电机在典型的半步运行方式和半步细分运行方式中实现转矩均衡运转平稳可靠及实现无滞后恒流控制的技术，其特征在于，采用软件编程法实现半步多细分方式的环形脉冲分配器功能，只适用于以减小步距方式和细分方式改进运行特性。

4、一种使步进电机在典型的半步运行方式和半步细分运行方式中实现转矩均衡及无滞后恒流控制技术的装置，其特征在于：

a、中子衍射仪样品台和探测臂拖动两只高精度步进电机驱动系统，采用开关式细分驱动电路，用微机控制，软件编程法实现转矩均衡控制和多细分的脉冲分配。

b、6000型包装机DELTA-P走纸驱动控制系统，采用单片微机进行典型的三相六拍驱动方式下根据馈电相数变化而控制相电流值增减;采用无滞后恒流控制，实现转矩均衡和提高的同时，消除电机音频抖动。

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