CN108809171B

CN108809171B - 一种定频pwm全桥式电机微步细分驱动控制方法及电路

Info

Publication number: CN108809171B
Application number: CN201810502305.0A
Authority: CN
Inventors: 王友平; 梁骄雁; 马婷婷; 祝晓丽; 耿远迎; 闫云; 张猛
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2038-05-23
Also published as: CN108809171A

Abstract

一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法及电路，首先将太阳帆板驱动机构所使用步进电机的自然步距细分为微步，然后令控制线路的D/A转换电路产生步进电机绕组电流参考正余弦信号、微处理器产生相序信号，将参考正余弦信号、相序信号送至驱动线路，使得步进电机两相绕组逼近正弦函数、余弦函数的阶梯波电流，进而在电机中产生低速旋转磁场，最后将参考正余弦信号与固定频率的锯齿波进行合成，进而将电流调制成PWM控制信号，完成定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制。

Description

一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法及电路

技术领域

本发明涉及一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法及电路。

背景技术

由于GEO轨道对地观测卫星对于姿态精度和姿态稳定度的高要求，需要尽可能减小转动部件对卫星产生的干扰，因此要求太阳帆板驱动装置在驱动太阳帆板转动时具有高的转动精度并且速度平稳。

针对这一需求，太阳帆板驱动装置采用步进电机经齿轮减速间接驱动加正余弦细分的方案，由于采用了间接驱动，安装相对复杂，同时引入了减速器输入轴与电机输出轴的水平连接情况对机构驱动稳定性的影响。当机构处于低速转动时，这种影响将会更加明显，使得帆板驱动实现微步距、高性能、高稳定控制非常困难，容易使得控制变得不稳定。

文献《Quasi-sliding mode based repetitive control for nonlinearcontinuous-time systems with rejection of periodic disturbances》(Automatica.2008(1))采用的是双电压驱动方法，是在高频和低频分别使用高电压和低电压驱动，存在临界频率，在低于但接近临界频率时，输出转矩下降太大，其输出特性存在突变不具备连续性；回路中必须串联电阻，造成能量损耗大，发热严重，效率低。

文献《基于单片机控制的步进电机高低压驱动系统设计》(电力电子技术，2008，第2期)采用的是高低电压驱动方式，其优点是在高频和低频绕组都能保持较大的平均电流，电机输出转矩稳定且较大。但不足就是低频时电流上冲比较大，电机振动和噪音大；存在低频共振。

《两相混合式步进电机细分控制器的设计》论文(浙江理工大学2015年硕士论文，唐佳伟)是将斩波恒流驱动和H桥驱动电路组合起来使用，运行稳定性相对较差，而且其功率驱动电路直接采用集成芯片L6506及其外围电路，只能驱动较小功率电机。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，针对步进电机驱动、直齿轮传动加正余弦细分的高精度驱动系统，采用定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，目标是使低速运行的机构有很好的控制性能，提高姿态控制的精度和运行稳定度。

本发明的技术解决方案是：一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，包括如下步骤：

(1)将太阳帆板驱动机构所使用步进电机的自然步距细分为微步；

(2)将太阳帆板驱动机构驱动线路分为控制线路、驱动线路，令控制线路的D/A转换电路产生步进电机绕组电流参考正余弦信号、微处理器产生相序信号，将参考正余弦信号、相序信号送至驱动线路，使得步进电机两相绕组逼近正弦函数、余弦函数的阶梯波电流，进而在电机中产生低速旋转磁场，其中，低速旋转磁场转速能够进行调节进而调整电机转速；

(3)将步骤(2)得到的参考正余弦信号与固定频率的锯齿波进行合成，进而将电流调制成PWM控制信号，完成定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制。

所述的自然步距细分为微步的方法包括为：首先将步进电机两相绕组分别通正弦电流、余弦电流，然后将每个步距细分成2n个微步，使得步进电机以同步机的方式微步平稳运行，其中，n为正整数，取值范围为3～8。

所述的参考正余弦信号的产生过程包括如下步骤：

(1)将参考正余弦信号每周期均分为2n个采样点，然后将得到的2n个采样点以表格形式存放在程序存储器中，由控制线路的微处理器定时输出，并经D/A转换器产生电机控制电压，其中，采样点包括SIN数字量、COS数字量；

(2)D/A转换器根据SIN数字量、COS数字量产生SIN模拟电压、COS模拟电压并作为参考正余弦信号。

所述的SIN数字量＝(2k-1)×Sin(2πm/K)，COS数字量＝(2k-1)×Cos(2πm/K)，其中，k为D/A转换器的转换位数，m为不大于2n-1的正整数，K＝2n；U_M为步进电机允许最大电流的D/A基准电压；sin模拟电压U_SIN＝-|U_MSin(2πm/K)|，cos模拟电压U_COS＝-|U_MCos(2πm/K)|。

所述的锯齿波频率在3kHz～20kHz范围内。

所述的驱动线路采用桥式电路，PWM控制信号输入到桥式电路上桥臂的大功率管控制端，下桥臂功率管直接采用相序信号，上下桥臂独立控制。

所述的上桥臂开关管选用功率三极管，下桥臂开关管采用N沟道功率管，下桥臂与功率地间有电流采样电阻，上桥臂功率管CE极间反并联有续流二极管。

一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制电路，包括正余弦信号产生电路、细分电路、锯齿波发生电路、H桥驱动电路、电流负反馈电路，其中：

正余弦信号产生电路，通过D/A转换器、D/A基准电压生成电路、微处理器实现；微处理器在数据总线端将程序存储器中内置的参考正余弦信号的2n个采样点数据逐个周期输出，数据通过D/A转换器转换生成对应的2n个模拟量U_SIN和U_COS，构成正弦、余弦的阶梯波信号循环输出，正余弦信号的频率可通过设置微处理器内部的定时器改变，调节定时时间可以调节电机的转速；

细分电路，由驱动电路靠精度控制电机相电流产生，通过细分数与电机参数来设置微处理器内部定时器的时间周期，控制正余弦控制信号的离散度，从而控制加在电机绕组控制端的步进脉冲频率，使得电机转动一微步的微步距角满足要求；

锯齿波发生电路，包括比较器、积分电路及附加线路组成的振荡电路，发出频率范围在3kHz～20kHz内、幅值0～-0.8V左右的锯齿波，经由运算放大器输出到功率放大线路，锯齿波的频率可通过调节积分电路的电阻、电容值，改变积分电路的时间常数，实现不同频率的锯齿波；

H桥驱动电路，通过Q1、Q2、Q3、Q4四个功率管的通断来实现的，Q1、Q2由正余弦信号与锯齿波信号的比较输出控制，工作在PWM开关状态；Q3、Q4主要由控制电路输出的相序信号进行控制，工作在常开或常关状态，电机绕组电流的流向决定四个功率管的工作状态；

电流负反馈电路，利用H桥下桥臂与功率地间的精密采样电阻实现对电机绕组正负半波电流的采样，经过比例积分校正网络，并以差分方式引入至驱动线路的正余弦信号输入端，通过比较器实现电流负反馈，以保证电流稳定，从而保证电机输出转矩的稳定。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提高了步进电机的步距分辨率和运行的平稳性，与线性放大器相比在相同的平均电流即相同的输出转矩下，线路的损耗和发热较小，功率放大器为恒流控制方式，使电机有很好的驱动特性，并保证在环境温度变化很大的情况下，电机电流及电机输出力矩恒定不变；

(2)本发明驱动方法具有超小步距角，低速转动平稳；电流控制精确，线性度好，转动精度高，可精确定位；齿轮减速、电路细分倍数合理配合，在保证高可靠的前提下，达到指向精度高、运行平稳和结构简单的综合性能最佳；具有模块化特点，可在其他驱动装置中应用，如天线指向机构等；

(3)本发明利用定频PWM全桥式微步细分驱动电机的控制方法，适合步进电机的高性能、高稳定度驱动，且对环境温度变化不灵敏，在航天应用中具有很强的实用性；具有通用性强、控制稳定、分辨率较高、性能优越，实用性强的优点，得到在轨考验，且采用常规通用元器件，易于采购，工作可靠，成本低。

附图说明

图1为本发明一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法输出-电机主回路；

图2为本发明一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法电流调节线路。

具体实施方式

本发明克服现有技术的不足，提供了一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，针对步进电机驱动、直齿轮传动加正余弦细分的高精度驱动系统，采用定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，目标是使低速运行的机构有很好的控制性能，提高姿态控制的精度和运行稳定度。

本发明将太阳帆板驱动机构用步进电机的一个自然步距细分为微步，使电机的运动由大角度的跳跃变为小步距的连续运动。在此基础上，两相绕组分别通以正、余弦电流，每个步距再被细分成2n个微步，步进电机最终以同步机方式微步平稳运行。本设计中2n可为8～256的数，n可取3～8，此处取2n为64。

根据控制方案，将太阳帆板驱动线路的设计分为控制和驱动两部分。由控制部分的D/A转换电路产生步进电机绕组电流参考正余弦信号，配合微处理器产生的相序信号，分别供给步进电机两相绕组逼近于正弦和余弦函数的阶梯波电流，在电机中产生低速旋转磁场，磁场转速可在规定的范围内调节以达到调整电机转速的目的。

因驱动电机所需要的正余弦控制信号每周期均分为若干个采样点(本设计选用256)，其数字量以表格形式存放在程序存储器中，由单片机定时输出，经D/A转换器产生电机控制电压。正余弦表按下述方法产生，D/A转换线路产生如下信号：

U_SIN＝-|U_MSin(2πn/K)|

U_COS＝-|U_MCos(2πn/K)|

其中，n＝0，1，2，…，255

K＝4×64，细分数，U_M＝2.5V，D/A基准电压

正余弦数字量的精度为8位，量化后的正、余弦数据按下式计算：

SIN数字量＝(28-1)×Sin(2πn/K)＝255×Sin(2πn/256)

COS数字量＝(28-1)×Cos(2πn/K)＝255×Cos(2πn/256)

其中，n＝0，1，2，…，255

因后半个周期与前半个周期重复，只取n＝0，1，2，…，127，将计算结果取整数化为8位二进制数。

上述产生的模拟正弦、余弦信号与一固定频率的锯齿波合成后，将电流调制成PWM控制。该锯齿波频率即为PWM调制频率，本电路可根据控制对象，即步进电机的特性，在3kHz～20kHz范围内选择(本设计选用16kHz)。

驱动部分的主要功能是依据控制输入的步进电机绕组电流控制信号产生步进电机驱动所需的绕组微步细分电流。为了对两相步进电机输出正弦电流和余弦电流，功率放大采用桥式电路输出，使大功率管工作在开关状态。用切换电流方向的办法实现电流的负半周，从而只需要单一正电源。H桥输出-电机主回路的示意图如图1所示。

上桥臂开关管选用具有较大放大倍数的功率三极管，下桥臂开关管采用N沟道功率管。电流采样电阻位于H桥下桥臂与功率地之间，利用一个电阻实现对电机绕组正负半波电流的采样反馈。在上桥臂的功率管CE极间反并联有续流二极管。

H桥电路基本工作过程描述如下：

当电机绕组电流由A流向A’时，开关Q2、Q3关闭，Q4导通，Q1工作在PWM开关状态

当电机绕组电流由A’流向A时，开关Q1、Q4关闭，Q3导通，Q2工作在PWM开关状态

H桥电路设计中在桥臂的同一侧开关管有硬件互锁逻辑电路，保证H桥上下桥臂开关管不会出现直通现象。

电流综合校正线路如图2所示，由运算放大器完成，采用比例积分(PI)校正网络，并以差分方式引入电流负反馈，以保证电流稳定，从而保证电机输出转矩的稳定。依据对电机驱动特性的分析，因绕组电流大小直接影响驱动机构输出力矩特性满足指标要求情况，所以将与电机输出力矩直接相关的电机绕组电流大小作为驱动线路的重要特性。在电机绕组电流控制电路中，利用H桥下桥臂与功率地之间一个2Ω的采样电阻(可调)实现对电机绕组正负半波电流的采样，对应绕组额定电流，减小电阻，绕组电流增大，相反，增大电阻，绕组电流减小。由此，整个设计通过正余弦信号产生电路、细分电路、锯齿波发生电路、H桥驱动电路、电流负反馈电路等，实现了定频PWM全桥式电机微步细分驱动，从而实现了太阳帆板驱动机构的高分辨率、高稳定度运行，满足高稳定度驱动需求。

下面通过具体实施例对定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法的发明作进一步详细说明。本发明设计以80C32为核心构成单片机系统，外扩PROM，包含上电复位电路和看门狗复位电路、RS-422接口电路、D/A转换电路，以及零位检测电路。单片机软件在完成初始化后进入主循环，等待步进电机控制中断和串口通信中断。80C32定时器完成对机构的控制，串口中断完成与上位机之间的通信指令的接受和信息反馈，包括以下步骤：

(1)因驱动电机所需要的正余弦控制信号每周期均分为256个采样点，所以需在步进电机一个步距范围内实现64细分，以实现驱动装置的步距角要求。其数字量以表格形式存放在程序存储器中，由单片机定时输出，经D/A转换器产生电机控制电压。根据前面的SIN、COS计算方式，生成正余弦表，由D/A转换线路产生正余弦信号。

(2)单片机输出步进电机相序信号，为了确保上电时相序信号的可靠设置，相序信号经AC系列门电路后，与D/A转换输出参考波形信号共同确定电机转动方向和速率。

下表是两相四拍电机正转向时一周期内的时序表。

(3)驱动电机所需要的正余弦控制信号的输出间隔时间由单片机内部定时器的溢出率决定，因此，改变定时器溢出率就改变了电机的转速。80C32定时器作为细分定时器使用，通过控制定时周期来确定机构电机的转速，细分后的微步距周期和定时器预置值计算公式为：

步进周期＝360°/(电机齿数×减速比×细分数×驱动机构转速(°/s))

将机构不同转速对应的定时器预置值以表格形式存放，程序运行时只要根据速度档次设置定时器即可。

(4)将D/A转换器输出的模拟量信号输入至脉宽调制功率放大线路，使大功率管工作在开关状态，最终控制电机绕组控制电压。综合校正线路由运算放大器完成，采用比例积分(PI)校正网络，并以差分方式引入电流负反馈，以保证电流稳定，从而保证电机输出转矩的稳定。电流调节电路原理如图2所示。

(5)设立一个软件的角度计数器，以零位信号为基准计数电机步数。细分后电机走1微步对应角度0.00028125°，走256微步对应角度0.072°。当检测到机构输出的零位信号时，将角度计数器清零，并以此为基准，每驱动电机走0.072°，角度计数器加1或减1。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(3)将步骤(2)得到的参考正余弦信号与固定频率的锯齿波进行合成，进而将电流调制成PWM控制信号，完成定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制；

所述的驱动线路采用桥式电路，PWM控制信号输入到桥式电路上桥臂的大功率管控制端，下桥臂功率管直接采用相序信号，上下桥臂独立控制；

通过上述驱动控制方法实现的驱动控制电路，包括正余弦信号产生电路、细分电路、锯齿波发生电路、H桥驱动电路、电流负反馈电路，其中：

2.根据权利要求1所述的一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，其特征在于：所述的自然步距细分为微步的方法包括为：首先将步进电机两相绕组分别通正弦电流、余弦电流，然后将每个步距细分成2n个微步，使得步进电机以同步机的方式微步平稳运行，其中，n为正整数，取值范围为3～8。

3.根据权利要求1或2所述的一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，其特征在于：所述的参考正余弦信号的产生过程包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，其特征在于：所述的SIN数字量＝(2k-1)×Sin(2πm/K)，COS数字量＝(2k-1)×Cos(2πm/K)，其中，k为D/A转换器的转换位数，m为不大于2n-1的正整数，K＝2n；U_M为步进电机允许最大电流的D/A基准电压；sin模拟电压U_SIN＝-|U_MSin(2πm/K)|，cos模拟电压U_COS＝-|U_MCos(2πm/K)|。

5.根据权利要求1所述的一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法，其特征在于：所述的上桥臂开关管选用功率三极管，下桥臂开关管采用N沟道功率管，下桥臂与功率地间有电流采样电阻，上桥臂功率管CE极间反并联有续流二极管。