CN109600081A - 一种步进电机控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机控制策略，包括：在步进电机保持阶段，采用相绕组短路控制；在步进电机启动阶段，采用升频加速或直接额定频率启动；在步进电机额定运行阶段，根据运行工况采用恒频匀速或变频变速驱动；步进电机降速阶段，采用降频停机或直接停机。利用本发明，可以较好的解决步进电机转子振荡问题，避免保持阶段转子不稳定而出现失步情况。

Description

一种步进电机控制策略

技术领域

本发明属于步进电机领域，尤其是涉及一种步进电机控制策略。

背景技术

步进电机是一种可以开环控制角位移或线位移的电机。控制器通过内部指令，产生一系列驱动脉冲信号，实现步进电机的启动、稳态运行、减速停机及相电流保持等状态。步进电机以其可靠的运行性能，在工业制造、航天军工、医疗卫生等领域得到了广泛的应用。

然而，步进电机运行时会有失步问题。步进电机失步原因很多，如负载转矩与电磁转矩不匹配、电机启动停止时加减速不充分、转子振动剧烈、控制信号出错等。一类步进电机失步解决方案，主要针对步进电机失步后，对丢失步数的补偿，需要增加复杂的检测统计系统，判断步进电机是否失步，及统计丢失步数。另一类防止步进电机失步方案，主要解决步进电机启动、停机过程中的加减速控制，保证电磁转矩能够带动负载转矩，但没有考虑转子振动对失步的影响。

针对步进电机频繁地启动、停止运行工况，尤其是两次运行之间步进电机保持状态时，转子易受到上一次运行惯量而在保持方向上反复振动。若保持状态持续时间较短时，转子振动仍未衰减完毕，会影响下一次步进电机的启动性能。而针对如何抑制保持阶段转子的振动，研究较少。

现有的步进电机在保持阶段的控制策略通常为工作相通电、非工作相开路，随着设计工艺和组装技术的提高，现有的步进电机在额定功率下均可以很好的避免发生失步现象。但是当步进电机带动的负载超过其额定设计，或遇到更加复杂的工况时，会出现稳定性下降的情况，从而影响步进电机的性能。

发明内容

本发明提供了一种步进电机控制策略可以有效地加快步进电机转子振动衰减，较好地解决步进电机失步问题，提高步进电机稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种步进电机控制策略，包括：

在步进电机保持阶段，采用相绕组短路控制；

在步进电机启动阶段，采用升频加速或直接额定频率启动；

在步进电机额定运行阶段，根据运行工况采用恒频匀速或变频变速驱动；

步进电机降速阶段，采用降频停机或直接停机。

本发明包含了步进电机保持、启动、额定运行和降速四个阶段的驱动控制策略。在步进电机保持阶段(即步进电机通电，但不转动，等待下次转动指令)，采用相绕组短路控制，可以使电机转子振动时产生的反电势，在短路回路中产生电流，进而产生阻止电机转动的转矩。

转子在保持阶段的振动能量一部分消耗在转子摩擦阻尼上，一部分消耗在短路回路中，加快了转子振动的衰减。步进电机在保持阶段靠自定位力矩保证电机不失步，自定位力矩应大于负载转矩。

本发明中，采用H桥逆变器为步进电机供电，在步进电机保持阶段，控制全部相绕组短路或一部分相绕组短路。

其中，控制全部相绕组短路具体为：将每一相绕组的H桥采用短路控制；控制一部分相绕组短路具体为：控制一部分相绕组短路，而其它相绕组保持通电或开路控制。

所述相绕组短路的控制方式为：将该相绕组的上桥臂两功率管导通，下桥臂两功率管断开，或将该相绕组下桥臂两功率管导通，上桥臂两功率管断开，使该相绕组处于短路状态。

H桥用自身的短路回路，可以实现将相绕组短路的目的，而电路中相绕组电阻、线缆电阻、两个功率管导通电阻之和，将成为整个短路回路总电阻，将转子振动感应出的电能消耗完毕。

控制相绕组短路过程中，实时检测短路回路电流，当转子振动时产生的反电势较大，检测到短路回路电流超过额定值时，控制上桥臂或下桥臂间歇性导通，实现对短路电流的控制。通过短路电流滞环控制，将短路电流限制在相绕组或功率器件允许通过的最大电流内。

步进电机的正常工作过程，经过启动阶段、额定运行阶段、降速阶段、保持阶段。对于需要频繁启停的步进电机，即在这四个状态中不断循环进行。

步进电机可以采用直接启动，施加额定运行频率，实现电机的快速启动。为了保证步进电机拥有足够的启动能力，可以采用升频启动，在步进电机第一步作用时间最长，第二步逐渐缩短作用时间，直到将电机逐步代入带额定转速。

步进电机额定运行时，根据运行速度，施加相应切换频率驱动信号。

步进电机降速阶段，若步进电机所带负载较小，转速较低，可以直接进入步进电机保持阶段，即选择直接停机，通过保持阶段保持力矩与快速振荡衰减来实现停止转动。若步进电机所带负载较大，转速较高，无法通过直接进入步进电机保持阶段实现无失步停机，则通过降频进入步进电机保持阶段停机，驱动器换相频率从高到低下降，逐渐加长每一步作用时间，实现电机停止。

步进电机保持阶段紧接在步进电机降速阶段后面，主要实现步进电机锁定保持功能。由于本发明在保持阶段采用相短路策略，可以使步进电机从降速阶段到保持阶段转子振荡衰减加快，提高电机运行稳定性，能够实现短时间内再次启动的要求。

本发明的有益效果如下：

本发明通过在步进电机保持阶段，对相绕组采用短路策略，实现转子振荡的快速衰减。相比将相绕组工作相通电非工作相开路的控制策略，本发明能够提高步进电机运行稳定性，对于需要频繁启停的电机，只需要较短的启停间隔(步进电机保持时间)，也能保证转子稳定，不受转子振荡影响而导致再次启动时失步。

附图说明

图1为本发明实施例步进电机的控制框图；

图2为本发明实施例的其中一相H桥供电示意图；

图3为双相步进电机保持阶段工作相通电非工作相开路控制的电流变化示意图；

图4为双相步进电机保持阶段每相绕组短路控制的电流变化示意图；

图5为双相步进电机保持阶段工作相通电非工作相开路和每相均短路控制下转子振动比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，本实施例及附图只阐述了双相H桥驱动步进电机在使用本发明的工作过程，本发明也适用于多相步进电机，控制原理相同。

本实施例的双相步进电机启动前，先设定运行方案：步进电机先前进121步，采用直接停机进入到步进电机保持单相保持阶段，再重新启动步进121步，直接停机，切断电源。

如图1所示，步进电机上电启动后，先施加一个保持电流，使得步进电机能够将转子位子锁定在给定位置。为了使得步进电机从零速到额定，有足够的时间作用在负载上，故步进电机启动采用升频启动策略，使得步进电机具有更大的带载能力。步进电机额定步进频率为1kHz，步进电机升频启动第一步时间为3ms，第二步作用时间为2ms，第三步作用时间为1ms，其后进入额定转速运行状态。步进电机降速阶段采用直接停机，相对于降频停机策略，其特点在于停机快，控制简单。但采用直接停机策略，会引起控制不稳定，转子振荡加剧导致失步风险。因此，需要在降速后的保持阶段，采用每相绕组短路策略实现转子振荡。步进电机采用直接停机，则停机阶段不需要任何时间，直接进入到保持阶段。在保持阶段中，步进电机每一相都采用下桥臂短路的方式，加快步进电机的振荡衰减。

如图2所示，为双相步进电机其中一相的H桥供电示意图，其中，虚线框内为步进电机模型，从左到右依次为步进电机相反电动势、相电阻、相电感。T1、T2、T3、T4分别为H桥驱动电路的四个驱动器件，器件包含IGBT与二极管并联，也可以是MOSFET与二极管并联。

当步进电机从运行状态进入保持状态时，步进电机控制器通过滞环控制，将所有相绕组都自行短路(或者将工作相电流控制在保持电流大小，控制非工作相短路)。

下面以非工作相(例如B相)绕组为例，介绍控制相绕组短路的具体过程：B相H桥驱动器上T1、T3获得控制器导通信号持续导通，T2、T4获得控制器关断信号保持关断。在短路阶段，B相内电流通过T1、T3的一个二极管和一个IGBT进行续流，短路电流产生的电磁力矩阻碍运行，使得电机快速停机。若在B相短路时，检测到B相电流过大，大于相电流或驱动器允许通过的最大电流，则B相T1、T3在电流过大时获得控制器开路信号，电机、T1、T2的短路回路断开，防止短路电流过大。当短路电流下降后，T1、T3获得控制器导通信号，电机、T1、T2的短路回路闭合。针对B相短路电流，控制器采用滞环控制，通过控制T1、T3通断，控制短路电流大小。

下面对保持阶段工作相(A相)通电非工作相(B相)开路和每相均短路的两相电流变化进行比较。

如图3所示，工作相(A相)通电非工作相(B相)开路时，B相内部没有电流，而A相在保持阶段后会出现一个电流尖峰，其是由于转子振荡过大而产生较反电势在A相上，导致A相电流上升，这对于驱动器、直流母线等都不利。

如图4所示，采用本发明每相均短路控制后，A、B相可以有电流流通。当转子振荡，会在A、B相绕组上产生感应电动势，并且产生感应电流。故A、B相上电流的振荡情况与转子振荡情况一致，并且此电流是阻碍转子运动的，使得转子振荡快速衰减。

图5为步进电机保持阶段采用工作相通电非工作相断路和每相均短路控制策略的对比示意图，可以明显看出，在其他条件一样情况下，采用每相均短路的控制策略，步进电机转子振荡幅值小，衰减快，进入稳定时间短。采用短路策略，等效于给步进电机在降速后的保持阶段，增加了一个电磁阻尼。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种步进电机控制策略，其特征在于，包括：

在步进电机保持阶段，采用相绕组短路控制；

在步进电机启动阶段，采用升频加速或直接额定频率启动；

在步进电机额定运行阶段，根据运行工况采用恒频匀速或变频变速驱动；

步进电机降速阶段，采用降频停机或直接停机。

2.根据权利要求1所述的步进电机控制策略，其特征在于，采用H桥逆变器为步进电机供电，在步进电机保持阶段，控制全部相绕组短路或一部分相绕组短路。

3.根据权利要求2所述的步进电机控制策略，其特征在于，控制全部相绕组短路具体为：将每一相绕组的H桥采用短路控制；控制一部分相绕组短路具体为：控制一部分相绕组短路，而其它相绕组保持通电或开路控制。

4.根据权利要求2或3所述的步进电机控制策略，其特征在于，所述相绕组短路的控制方式为：将该相绕组的上桥臂两功率管导通，下桥臂两功率管断开，或将该相绕组下桥臂两功率管导通，上桥臂两功率管断开。

5.根据权利要求4所述的步进电机控制策略，其特征在于，控制相绕组短路过程中，实时检测短路回路电流，当转子振动时产生的反电势较大，检测到短路回路电流超过额定值时，控制上桥臂或下桥臂间歇性导通，实现对短路电流的控制。

6.根据权利要求1所述的步进电机控制策略，其特征在于，在步进电机降速阶段的具体控制方式为：若负载惯量大、转速高，则驱动器换相频率从高到低下降，然后进入保持阶段；若负载惯量小、转速低，则驱动器直接进入保持阶段。

7.根据权利要求1所述的步进电机控制策略，其特征在于，所述步进电机为2相及以上的多相电机。