CN107800339B - 一种基于恒流斩波细分的步进电机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种基于恒流斩波细分的步进电机控制系统。该控制系统基于恒流斩波数字细分控制方式来控制步进电机，在现有的恒流斩波控制方式上增加了控制单元的步距角细分，从而主备电源及步进方向的综合时序得到控制，不仅能够实现步进电机的恒流工作，步进电机在低频有恒转矩输出、高频运行性能好、动态响应快、带负载能力强等优点，还能够实现在轨对日跟踪中的精密跟踪测量和高可靠性地连续工作。

Description

一种基于恒流斩波细分的步进电机控制系统
技术领域
本发明涉及步进电机控制的技术领域，具体涉及一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统。
背景技术
在航天领域的在轨对日跟踪过程中，步进式直流电机是常用的机械动力源。目前，步进电机的驱动方式主要包括三种。第一种驱动方式为单电压驱动，在一个方向对电机绕组进行通电驱动。单电压驱动方式需要在线圈回路中串联一个大阻值的电阻，从而改变电流上升时间，使得电流上升波形更加陡峭，以提高频率特性。单电压驱动方式的线路结构简单且成本低，但是需要额外的功耗，功耗大且电源效率低。第二种驱动方式为高低压切换驱动，在对绕组通电的同时接入高电压，使得高电压电流上升时间减小，从而加快电流建立的时间，在这之后再通入低电压以维持线圈电流。高低压切换驱动方式由于只需串联一个小阻值的电阻，相比较单电压驱动方式的额外功耗会很小。高低压切换驱动方式的转矩特性好、启动和运行频率高。由于在高低压切换过程时，电流波形会发生下凹，因此，高低压切换驱动方式的动态性能差、输出力矩下降、从而运行不够平稳。第三种驱动方式为恒流斩波控制驱动，采用闭环控制方法将相绕组反馈电流值与设定参考相电流值做比较，通过控制功率驱动管的开关，使电机无论在何种工作状态(即低频状态、高频状态、锁定状态)下，线圈的电流基本保持在给定电流值的附近。恒流斩波控制驱动采用的是控制相电流的方式，相比于单电压驱动方式和高低压切换驱动方式，恒流斩波驱动方式在低频时具有恒转矩输出、高频运行性能好、动态响应快且带负载能力强的优势。
由于步进电机的运行机制，步进电机运行过程中的振荡问题相当严重。当电机的定子的旋转磁场与转子的旋转磁场的方向不一致时，转子位置会与电流矢量失去联系，发生丢步和失步现象。步进电机在低速运转时，到达平衡位置后仍会存在多余动能，从而产生过冲，发生低频振荡现象。而且，当输入电脉冲的频率与电机本身固有的频率相同时，引发共振，发生低频共振现象。低频振荡现象会使得电机运行不平稳、精度下降、噪声变大且输出转矩下降，甚至会发生丢步和失步现象。步进电机的电磁转矩存在谐波分量，从而会引发步进电机的高频振荡。
因此，针对现有的步进电机在驱动过程中存在的振荡问题，需要提供一种步进电机的驱动控制系统以抑制振荡现象，从而抑制丢步、噪声大问题和提高精度。
发明内容
针对现有步进电机的驱动方式所存在的振荡问题，本发明实施例提出一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统。该控制系统基于恒流斩波方式实现滚动方向和偏航方向的步进电机的恒电流输出，再通过细分步距角的方式，提升电机转角分辨率，从而提高电机固有的频率。
该基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统的具体方案如下：一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，包括控制单元，用于根据需求输出相应的控制信号；主备电源切换模块，所述主备电源切换模块的第一端与所述控制单元连接，所述主备电源切换模块的第二端与步进电机连接，用于实现步进电机的通断电以及用于完成主份控制回路和备份控制回路的切换；方向控制模块，所述方向控制模块的第一端与所述控制单元连接，所述方向控制模块的第二端与步进电机连接，用于控制步进电机在滚动维度和偏航维度的运行方向；细分输出模块，与所述控制单元连接，用于输出不同方向的细分电压；恒流闭环控制模块，所述恒流闭环控制模块的输入包括所述细分输出模块的输出信号以及步进电机的反馈信号，所述恒流闭环控制模块的输出信号输出至步进电机，用于实现步进电机的恒流工作。
优选地，所述控制单元与所述主备电源切换模块组成主备电源切换控制回路，所述主备电源切换控制回路包括所述控制单元、继电器组、输出缓冲单元和稳压二极管。
优选地，所述继电器组采用并串结构的磁保持继电器。
优选地，所述恒流闭环控制模块包括第一比较器、单稳态触发器、第二比较器、电流反馈电路和放大调整电路。
优选地，所述第一比较器的输出端与单稳态触发器的输入端连接，所述第二比较器的第一输入端连接所述单稳态触发器的输出端，所述第二比较器的第二输入端输入电压基准，所述第二比较器的输出端连接步进电机，步进电机通过所述电流反馈电路将反馈信号输入至所述放大调整电路，所述放大调整电路的输出端连接第一比较器的第二输入端。
优选地，所述恒流闭环控制模块的闭环反馈表达式如公式1至公式3所示：
公式1:
公式2：VDA-SET＝Isample×Rsample
公式3：Isample＝Ix×377(μA/A)
其中，DDA-SET为数模转换器的实际设置值，DDA-ref为参考电压对应的数模转换器的设置码值，Vref为数模转换器的参考电压，VDA-SET为数模转换器的输出电压值，Isample为步进电机的采样电流值，Rsample为电流采样电阻，Ix为步进电机在X相的工作电流。
优选地，所述细分输出模块的不同方向的细分电压包括X方向的电压和Y方向的电压。
优选地，细分输出模块采用基于三角函数矢量叠加的方法对步进电机的转角进行细分，使得步进电机的X相电流按照余弦规律变化，步进电机的Y相电流按照正弦规律变化。
优选地，所述细分输出模块对步进电机的距角进行64细分。
优选地，其特征在于，所述步进电机包括用于驱动所述步进电机运转的驱动芯片。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供一种力基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统。该控制系统基于恒流斩波数字细分控制方式来控制步进电机，在现有的恒流斩波控制方式上增加了控制单元的步距角细分，从而主备电源及步进方向的综合时序得到控制，不仅能够实现步进电机的恒流工作，步进电机在低频有恒转矩输出、高频运行性能好、动态响应快、带负载能力强等优点，还能够实现在轨对日跟踪中的精密跟踪测量和高可靠性地连续工作。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种步进电机控制系统模块示意图；
图2为图1所示实施例中提供的一种主备电源切换控制回路示意图；
图3为图2所示实施例中提供的一种继电器组设计思路示意图；
图4(a)为图3所示实施例中提供的一种继电器组工作原理示意图；
图4(b)为图4(a)所示实施例中提供的一种继电器组实现电路示意图；
图5为图1所示实施例中提供的一种反馈闭环控制设计模块示意图；
图6(a)为图5所示实施例中提供的一种单稳态触发器电路示意图；
图6(b)为图6(a)所示实施例中提供的一种单稳态触发器设计思路示意图；
图7为步进电机的细分控制思路示意图；
图8为本发明实施例中提供的一种步进电机两相恒流合成效果示意图；
图9为本发明实施例中提供的一种步进电机距角64细分及合成效果示意图；
图10为本发明实施例中提供的一种步进电机增加方向控制后的输出效果示意图。
附图中的标记说明：
100、控制系统 10、控制单元 20、细分输出模块
30、主备电源切换模块 40、方向控制模块 50、恒流闭环控制模块
60、步进电机 33、电阻 31、稳压管
35、继电器组 62、驱动芯片 351、第一磁保持继电器
352、第二磁保持继电器 353、第三磁保持继电器 354、第四磁保持继电器
51、第一比较器 53、单稳态触发器 55、第二比较器
52、放大调整电路 54、电流反馈电路 57、电压基准
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，为本发明实施例中提供的一种步进电机控制系统模块示意图。在该实施例中，该控制系统100是基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统。控制系统100包括用于根据需求输出相应的控制信号的控制单元10，用于实现步进电机60的通断电以及用于完成主份控制回路和备份控制回路的换的主备电源切换模块30，用于控制步进电机60在滚动维度和偏航维度的运行方向的方向控制模块40，与控制单元10连接且用于输出不同方向的细分电压的细分输出模块20，用于实现步进电机60恒流工作的恒流闭环控制模块50。如图1所示，在该实施例中，主备电源切换模块30的第一端与控制单元10连接，主备电源切换模块30的第二端与步进电机100连接。方向控制模块40的第一端控制单元10连接，方向控制模块40的第二端与步进电机100连接。恒流闭环控制模块50的输入包括细分输出模块20的输出信号以及步进电机100的反馈信号，恒流闭环控制模块50的输出信号输出至步进电机100，从而构成闭环控制回路，实现步进电机100的恒流工作。
控制单元10与主备电源切换模块30组成主备电源切换控制回路。如图2所示，本发明实施例中提供的一种主备电源切换控制回路示意图。主备电源切换控制回路包括控制单元10、继电器组35和稳压二极管31。图2示出该回路中有关继电器组及其他感性负载的瞬间抑制措施。在该实施例中，稳压二极管31优选耐高压、平面型硅开关二极管，具体如BZG3D。优选地，采用多个稳压二极管31进行串联，具体如该实施例中采用2个稳压二极管31进行串联。回路中的电阻33选用金属膜电阻，电阻33的阻值小于继电器组的线包电阻的1/10且一次性电源供电电阻的功率不大于1/4W，从而有效地保证继电器组35的安全性。在该实施例中，控制单元10可选用FPGA芯片作为控制器。
如图3所示，本发明实施例中提供的一种继电器组设计思路示意图。在该实施例中，继电器组35采用并串结构的磁保持继电器。具体地，继电器组35包括串联的第一磁保持继电器351和第二磁保持继电器352，串联的第三磁保持继电器353和第四磁保持继电器354，其中，两路串联的磁保持继电器再并联。这种磁保持继电器的并串结构增加了设计的冗余度，提升了系统的可靠性，任意一个磁保持继电器发生故障都不影响整体的正常工作。
如图4(a)所示，为图3所示实施例中提供的一种继电器组工作原理示意图。在该实施例中，磁保持继电器的工作原理：当线圈2(Y1Y2)的Y1端接28V，Y2端接低电平时，线圈2动作，继电器6脚和9脚导通，1脚和4脚导通：当线圈(X1X2)的X1端接28V，X2端接低电平时，线圈1动作，继电器10脚和9脚导通，5脚和4脚导通。其中，输入输出口的状态转换中间需要延时100ms。具体地，继电器组实现电路示意图如图4(b)所示。该实施例以偏航方向主路电机通断电控制为例，从可靠性和安全性考虑，控制由两个继电器组K5和K6并联组成，而每个继电器组接成串联结构，从而形成了图3所示的并串组合结构。当开通偏航电机主路电源工作时，将VCC_PH_Y_CTRL_OUT设置为低电平，保持3ms，这时VCC_PH_P28V与VCC_M_P28V相连通，同时VCC_P28V_FUSE_PH也与VCC_M_P28V相连通，实现主路通电。当关闭偏航电机主路电源工作时，将VCC_PH_X_CTRL_OUT设置为低电平，保持3ms，这时VCC_PH_P28V与VCC_M_P28V断开，同时VCC_P28V_FUSE_PH也与VCC_M_P28V断开，实现主路断电。
如图5所示，本发明实施例中提供的一种反馈闭环控制设计模块示意图。在该实施例中，恒流闭环控制模块50包括第一比较器51、单稳态触发器53、第二比较器55、电流反馈电路54和放大调整电路52。其中，第一比较器51的输出端与单稳态触发器53的输入端连接，第二比较器55的第一输入端连接单稳态触发器53的输出端，第二比较器的第二输入端输入电压基准57，第二比较器55的输出端连接步进电机60，步进电机60通过电流反馈电路54将反馈信号输入至放大调整电路52，放大调整电路52的输出端连接第一比较器51的第二输入端。
步进电机60采用恒流控制，有效地保证步进电机60的X相和Y相的合成工作电流的稳定性。在该实施例中，控制单元10(FPGA)通过输入输出口(IO)控制数模转换芯片地址寄存器、写使能信号和数据线，每隔3ms更新一次X方向和Y方向的输出电压值。X方向和Y方向的电压通过闭环负反馈回路达到稳定，最终实现X向和Y向的输出电流实时更新，两相合成达到恒流输出。
在该实施例中，步进电机60包括用于驱动步进电机运转的驱动芯片62，驱动芯片62具体可采用LMD18200驱动芯片。闭环反馈回路为从步进电机的驱动芯片LMD18200的电流反馈端通过RC电路回路，将采样电流转化为采样电压值，反馈回前级比较器与输入信号做差，具体闭环控制步骤流程如下所述：
步骤S1：电机刚上电时，步进电机的X相输出电流为0。
步骤S2：此时，通过驱动芯片62(LMD18200)的采样电流为0，RC采样回路的采样电压也为0。
步骤S3：此时，细分输出模块20的输出电压大于采样电压值，由第一比较器51电压比较器输出为高电平。在该实施例中，第一比较器51采用LM139组成。
步骤S4：经过单稳态触发器53输出低电平。如图6(a)所示，本发明实施例中提供的一种单稳态触发器电路示意图。单稳态触发器53包括LM555定时器及其周边阻容网络组成。具体的设计思路如图6(b)所示。
步骤S5：单稳态触发器53输出的低电平与基准电压57经过第二比较器55比较后，输出为高电平。
步骤S6：第二比较器55输出高电平，驱动步进电机60以大电流满功率运行。
步骤S7：步进电机60以大电流运行，电流采样回路的采样电流和采样电压相应地变大。
步骤S8：当采样电压逐渐增加到大于细分输出模块20的输出电压时，第一电压比较器51的输出由高电平变为低电平。
步骤S9：第一比较器51输出的下降脉冲信号，输入至单稳态触发器53，输出变为暂态高电平，经过T＝RC的充电延迟时间后，输出再变为稳态低电平。
步骤S10：单稳态触发器53在输出高电平期间，与基准电压57经过第二比较器55的比较后，第二比较器55输出低电平。
步骤S11：此时，步进电机的驱动芯片62输出电流为0，步进电机60停止工作，直到单稳态触发器53的输出变为稳态。循环地进入步骤S1。在该实施例中，通过控制细分输出模块20的电压值，在周期3ms内，在电压64细分调整下，循坏往复，实现X向输出闭环控制，步进电机60的实际工作电流严格符合控制单元10(FPGA)的设置值。
恒流闭环控制模块50的闭环反馈表达式，具体如公式1至公式3所示：
VDA-SET＝Isample×Rsample (公式2)
Isample＝Ix×377(μA/A) (公式3)
其中，DDA-SET为数模转换器的实际设置值，DDA-ref为参考电压对应的数模转换器的设置码值，Vref为数模转换器的参考电压，VDA-SET为数模转换器的输出电压值，Isample为步进电机的采样电流值，Rsample为电流采样电阻，Ix为步进电机在X相的工作电流。
如图7中左图所示，为一种传统的步进电机细分控制思路示意图，传统的步进电机控制方法多采用四相八拍的方式，X相和Y相合成后的电流矢量大小发生较大波动，影响电机在轨平稳运行；同时步距角过大，达不到精确跟踪的要求，还需要增加减速器等结构部件。步进电机的恒流驱动保证了应用至在轨运行的稳定可靠，转角细分设计则可以做到更小的步距角和更精确的跟踪。如图7中右图所示，为本发明实施例中提供的一种步进电机细分控制思路示意图。在本发明的实施例中，细分输出模块20的不同方向的细分电压包括X方向的电压和Y方向的电压。细分输出模块20采用基于三角函数矢量叠加的方法对步进电机的转角进行细分，使得步进电机的X相电流按照余弦规律变化，步进电机的Y相电流按照正弦规律变化。如图8所示，通过控制单元10(FPGA)快速微小的调节角度值，从而细分输出模块20对步进电机的步距角进行64细分，步进电机分别输出X相电流和Y相电流，步进电机的合成电流在每个调整点都保持了相对稳定值。如图9所示，在该实施例中，步进电机60的步距角采用1.8°，经过64细分后，FPGA控制的每个步距转动角度仅为1.68′，具体计算表达式如公式4所示：
方向控制模块40用于控制步进电机60在滚动维度和偏航维度的运行方向的。在该实施例中，数模转换器直接输出的步进电机细分步距角，在相电流输出极大值处存在拐点，无法实现相邻周期的平稳过渡。方向控制模块40通过控制转动方向可实现相邻周期得连续平稳转动。如图10所示，控制单元10(FPGA)同步于X相和Y相电流的输出时序，控制驱动芯片62(LMD18200)的方向切换，实现步进电机60的转角输出连续变化，确保在轨精密跟踪连续观测。
本发明实施例提供一种力基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统。该控制系统基于恒流斩波数字细分控制方式来控制步进电机，在现有的恒流斩波控制方式上增加了控制单元的步距角细分，从而主备电源及步进方向的综合时序得到控制，不仅能够实现步进电机的恒流工作，步进电机在低频有恒转矩输出、高频运行性能好、动态响应快、带负载能力强等优点，还能够实现在轨对日跟踪中的精密跟踪测量和高可靠性地连续工作。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
控制单元，用于根据需求输出相应的控制信号；
主备电源切换模块，所述主备电源切换模块的第一端与所述控制单元连接，所述主备电源切换模块的第二端与步进电机连接，用于实现步进电机的通断电以及用于完成主份控制回路和备份控制回路的切换；
方向控制模块，所述方向控制模块的第一端与所述控制单元连接，所述方向控制模块的第二端与步进电机连接，用于控制步进电机在滚动维度和偏航维度的运行方向；
细分输出模块，与所述控制单元连接，用于输出不同方向的细分电压；
恒流闭环控制模块，所述恒流闭环控制模块的输入包括所述细分输出模块的输出信号以及步进电机的反馈信号，所述恒流闭环控制模块的输出信号输出至步进电机，用于实现步进电机的恒流工作；
所述控制单元与所述主备电源切换模块组成主备电源切换控制回路，所述主备电源切换控制回路包括所述控制单元、继电器组、输出缓冲单元和稳压二极管；
所述继电器组采用并串结构的磁保持继电器；
所述继电器组包括串联的第一磁保持继电器和第二磁保持继电器，串联的第三磁保持继电器和第四磁保持继电器，其中，两路串联的磁保持继电器再并联；
所述恒流闭环控制模块包括第一比较器、单稳态触发器、第二比较器、电流反馈电路和放大调整电路；
所述第一比较器的输出端与单稳态触发器的输入端连接，所述第二比较器的第一输入端连接所述单稳态触发器的输出端，所述第二比较器的第二输入端输入电压基准，所述第二比较器的输出端连接步进电机，步进电机通过所述电流反馈电路将反馈信号输入至所述放大调整电路，所述放大调整电路的输出端连接第一比较器的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述恒流闭环控制模块的闭环反馈表达式如公式1至公式3所示：
公式1:
公式2：VDA-SET＝Isample×Rsample
公式3：Isample＝Ix×377(μA/A)
其中，DDA-SET为数模转换器的实际设置值，DDA-ref为参考电压对应的数模转换器的设置码值，Vref为数模转换器的参考电压，VDA-SET为数模转换器的输出电压值，Isample为步进电机的采样电流值，Rsample为电流采样电阻，Ix为步进电机在X相的工作电流。
3.根据权利要求1所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述细分输出模块的不同方向的细分电压包括X方向的电压和Y方向的电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，细分输出模块采用基于三角函数矢量叠加的方法对步进电机的转角进行细分，使得步进电机的X相电流按照余弦规律变化，Y相电流按照正弦规律变化。
5.根据权利要求4所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述细分输出模块对步进电机的距角进行64细分。
6.根据权利要求1所述的一种基于恒流斩波细分的步进电机的控制系统，其特征在于，所述步进电机包括用于驱动所述步进电机运转的驱动芯片。
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