CN111030524A - 一种高稳定性的步进电机细分驱动方法及系统 - Google Patents

一种高稳定性的步进电机细分驱动方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高稳定性的步进电机细分驱动方法及系统，所述高稳定性的步进电机细分驱动系统包括细分模块、畸变模块、修正模块和驱动模块，所述细分模块、所述畸变模块、所述修正模块和所述驱动模块依次电性连接，获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算细分电流数据，并生成理想数据曲线，获取设定的转速，并结合所述细分电流数据，得到畸变曲线，并结合理想数据曲线反向计算出修正数据，获取当前的实时转速，从所述存储器中选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动，增加细分数量，提高运转稳定性，缓解低速运转时的抖动问题。

Description

一种高稳定性的步进电机细分驱动方法及系统
技术领域
本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种高稳定性的步进电机细分驱动方法及系统。
背景技术
随着人工智能和机器人等技术的兴起，步进电机得到了越来越广泛的应用。步进电动机系统与其它电机相比，具有结构简单、成本低、定位方便等优点，但也存在着驱动电路效率低、低频震荡、电磁噪声大，高频运行精度差等不足，目前控制步进电机的常用方法是细分驱动算法，原理是每次脉冲切换时，改变相应绕组中额定电流的一部分，则电机转子的每步运动只是步距角的一部分，通常采用电流恒幅均匀旋转的细分方法，即同时改变两相电流的大小，使得电流合成矢量等幅均匀旋转，但细分的数量往往受到限制，一般在512细分数以下，并且由于电机本身的特性以及负载和传动系统的影响，导致标准离散正弦波形驱动实际上会发生畸变，由此产生慢速转动时运行不够稳定，出现抖动等现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高稳定性的步进电机细分驱动方法及系统，增加细分数量，提高运转稳定性，缓解低速运转时的抖动问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高稳定性的步进电机细分驱动方法，包括：
获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算细分电流数据；
获取设定的转速，并结合所述细分电流数据，得到畸变曲线；
利用所述畸变曲线进行反向计算，得到修正数据并存储；
选取对应所述修正数据进行修正，完成细分驱动。
其中，所述获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算细分电流数据，包括：
获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，分别进行正余弦运算，并计算出各相对应的磁动势，通过由各相磁动势合成定子合成磁动势的幅值不变，得到细分电流数据，并生成理想数据曲线。
其中，所述获取设定的转速，并结合所述细分电流数据，得到畸变数据，包括：
获取设定的转速，利用所述细分电流数据驱动电机转动，并通过示波器记录每相实际输出的电流畸变数据，并生成畸变曲线。
其中，利用所述畸变数据进行反向计算，得到修正数据并存储，包括：
将所述电流畸变曲线与理想数据曲线进行反向计算，得到修正数据，并在由脉冲个数为横坐标，电压值为纵坐标的坐标系中生成修正曲线，存储于存储空间中。
其中，所述选取对应所述修正数据进行修正，完成细分驱动，包括：
获取实时转速，从所述存储器中选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动。
第二方面，本发明提供一种高稳定性的步进电机细分驱动系统，所述高稳定性的步进电机细分驱动系统包括细分模块、畸变模块、修正模块和驱动模块，所述细分模块、所述畸变模块、所述修正模块和所述驱动模块依次电性连接，
所述细分模块，用于将电机固有步距角细分为多个小步的步距角，根据定子合成磁动势计算出细分电流数据；
所述畸变模块，用于依次根据设定的转速，利用所述细分电流数据驱动电机转动，并通过示波器记录每相实际输出的电流畸变数据；
所述修正模块，用于通过所述电流畸变数据与理想数据反向计算出修正数据并生成修正曲线；
所述驱动模块，用于根据当前的实时转速，选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动。
本发明的一种高稳定性的步进电机细分驱动方法及系统，所述高稳定性的步进电机细分驱动系统包括细分模块、畸变模块、修正模块和驱动模块，所述细分模块、所述畸变模块、所述修正模块和所述驱动模块依次电性连接，获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算细分电流数据，并生成理想数据曲线，获取设定的转速，并结合所述细分电流数据，得到畸变曲线，并结合理想数据曲线反向计算出修正数据，根据当前的实时转速，从所述存储器中选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动，增加细分数量，提高运转稳定性，缓解低速运转时的抖动问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种高稳定性的步进电机细分驱动方法的结构示意图。
图2是本发明提供的一种高稳定性的步进电机细分驱动系统的结构示意图。
图3是本发明提供的两相电机的细分矢量合成示意图。
图4是本发明提供的理想数据和畸变数据的曲线示意图。
图5是本发明提供的理想曲线与修正曲线示意图。
1-细分模块、2-畸变模块、3-修正模块、4-驱动模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明提供一种高稳定性的步进电机细分驱动方法，包括：
S101、获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算细分电流数据。
具体的，获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，分别进行正余弦运算，并计算出各相对应的磁动势，通过由各相磁动势合成定子合成磁动势的幅值不变，得到细分电流数据，并生成理想数据曲线，其中，细分是通过驱动器精确控制步进电动机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是让定子通电时相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为零，这样定子绕组电流产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置，即形成了N个步距角，其中，所述平衡位置为各相产生的转矩之和为零的位置即为整步平衡位置之间的细分平衡位置，举例来说，若输入两相步进电机的电流时对称的离散电流：
Figure BDA0002323773930000041
其中，Im为电机绕组的额定电流，n是细分后的运行拍数，k为主脉冲序数。
各相磁动势为：
Figure BDA0002323773930000042
其中，
Figure BDA0002323773930000043
为磁动矢量，其大小等于脉振磁动势幅值，相位和A相绕组正轴线重合。由于电机绕组在空间分布是均匀的，定子合成磁动势为：
Figure BDA0002323773930000044
由所述定子合成磁动势得出，若在步进电机绕组中通以连续的对称正弦电流，则合成磁动式将可以保持幅值不变，因此，要想实现对电机的恒力矩均匀步进细分，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场幅值恒定，对两相电机而言，其细分电流IA和IB和最终产生的合成矢量分别如图3左、右所示，为等间隔等幅度的电流矢量输出，其角度间隔即为细分数据，在不改变步进电机整体结构的前提下增加了细分数，可以将细分数做到32768细分，提高电机运转的稳定性。
S102、获取设定的转速，并结合所述细分电流数据，得到畸变曲线。
具体的，获取设定的转速，利用所述细分电流数据驱动电机转动，并通过示波器记录每相实际输出的电流畸变数据，并在由脉冲个数为横坐标，电压值为纵坐标的坐标系中生成畸变曲线。
S103、利用所述畸变曲线进行反向计算，得到修正数据并存储。
具体的，将所述电流畸变曲线与理想数据曲线进行反向计算，得到修正数据，并在由脉冲个数为横坐标，电压值为纵坐标的坐标系中生成修正曲线，如图4所示为理想数据和畸变数据生成的曲线示意图，图5所示为理想曲线与修正曲线示意图，同时将所述修正数据存储于控制器的存储空间中，以便于后续的选取。
S104、选取对应所述修正数据进行修正，完成细分驱动。
具体的，控制器根据当前的实时转速，从所述存储器中选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动，经过电机输出后，可以测出实际得到的是理想正弦细分电流波形，解决了电机特性等导致的正弦波变形问题，有效缓解了低速运转时的抖动问题。
请参阅图2，本发明提供一种高稳定性的步进电机细分驱动系统，所述高稳定性的步进电机细分驱动系统包括细分模块1、畸变模块2、修正模块3和驱动模块4，所述细分模块1、所述畸变模块2、所述修正模块3和所述驱动模块4依次电性连接，
所述细分模块1，用于将电机固有步距角细分为多个小步的步距角，根据定子合成磁动势计算出细分电流数据；
所述畸变模块2，用于依次根据设定的转速，利用所述细分电流数据驱动电机转动，并通过示波器记录每相实际输出的电流畸变数据；
所述修正模块3，用于通过所述电流畸变数据与理想数据反向计算出修正数据；
所述驱动模块4，用于根据当前的实时转速，选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动。
在本实施方式中，所述高稳定性的步进电机细分驱动系统包括细分模块1、畸变模块2、修正模块3和驱动模块4，所述细分模块1、所述畸变模块2、所述修正模块3和所述驱动模块4依次电性连接，通过所述细分模块1将电机固有步距角细分为多个小步的步距角，根据定子合成磁动势计算出细分电流数据，并根据存储空间的大小选取多个转速依次进行测试，利用所述细分电流数据驱动电机转动，并通过示波器记录每相实际输出的电流畸变数据，并传输至所述修正模块3中，所述修正模块3将所述电流畸变数据与理想数据结合，反向计算出修正数据，存储于控制器的存储空间中，然后控制器根据当前的转速，选取实际修正后的细分电流数据对电机进行驱动，并且根据驱动机构实际速度特性，通过所述修正模块3修正驱动器输出的脉冲电流波形，从而可以有效改善驱动机构传动的速度平稳性，可以将细分数量做到32768细分，甚至更多，同时，结合对电流畸变的情况进行预先补偿，在驱动负载和转速固定的应用场景下，能够有效增加运转时的稳定性。特别是在低速运转时，在抖动等性能方面比常规的步进电机驱动器有明显提升。
举例来说，将其应用到某动中通天线时，利用细分电流数据驱动动中通天线使用的伺服电机，步骤为：⑴获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算出细分电流数据，并根据动中通天线的转速范围，选择3至5个典型速度，如果存储器空间足够，可以选择更多的转动速度进行数据测试；⑵依次在选中的速度条件下，输入细分后的理想控制曲线的电流数据对电机进行驱动，通过示波器记录每相实际输出的电流畸变数据；⑶根据所述电流畸变数据生成修正曲线，并将修正数据存储于控制器的存储空间中；⑷在实际运行时，控制器根据当前的速度值，从存储器中取实际修正后的细分控制数据对电机进行驱动，能够有效改进电机的驱动柔顺性，提升了动中通天线的跟踪性能，跟踪误差角度由1.2度提升到1度。
本发明的一种高稳定性的步进电机细分驱动方法及系统，所述高稳定性的步进电机细分驱动系统包括细分模块1、畸变模块2、修正模块3和驱动模块4，所述细分模块1、所述畸变模块2、所述修正模块3和所述驱动模块4依次电性连接，获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算细分电流数据，并生成理想数据曲线，获取设定的转速，并结合所述细分电流数据，得到畸变曲线，并结合理想数据曲线反向计算出修正数据，根据当前的实时转速，从所述存储器中选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动，增加细分数量，提高运转稳定性，缓解低速运转时的抖动问题。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种高稳定性的步进电机细分驱动方法，其特征在于，包括：
获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算细分电流数据；
获取设定的转速，并结合所述细分电流数据，得到畸变曲线；
利用所述畸变曲线进行反向计算，得到修正数据并存储；
选取对应所述修正数据进行修正，完成细分驱动。
2.如权利要求1所述的一种高稳定性的步进电机细分驱动方法，其特征在于，所述获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，计算细分电流数据，包括：
获取步进电机的额定电流、细分后的运行拍数和主脉冲序数，分别进行正余弦运算，并计算出各相对应的磁动势，通过由各相磁动势合成定子合成磁动势的幅值不变，得到细分电流数据，并生成理想数据曲线。
3.如权利要求2所述的一种高稳定性的步进电机细分驱动方法，其特征在于，所述获取设定的转速，并结合所述细分电流数据，得到畸变曲线，包括：
获取设定的转速，利用所述细分电流数据驱动电机转动，并通过示波器记录每相实际输出的电流畸变数据，并生成畸变曲线。
4.如权利要求3所述的一种高稳定性的步进电机细分驱动方法，其特征在于，利用所述畸变曲线进行反向计算，得到修正数据并存储，包括：
将所述电流畸变曲线与理想数据曲线进行反向计算，得到修正数据，并在由脉冲个数为横坐标，电压值为纵坐标的坐标系中生成修正曲线，存储于存储空间中。
5.如权利要求4所述的一种高稳定性的步进电机细分驱动方法，其特征在于，所述选取对应所述修正数据进行修正，完成细分驱动，包括：
获取实时转速，从所述存储器中选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动。
6.一种高稳定性的步进电机细分驱动系统，其特征在于，所述高稳定性的步进电机细分驱动系统包括细分模块、畸变模块、修正模块和驱动模块，所述细分模块、所述畸变模块、所述修正模块和所述驱动模块依次电性连接，
所述细分模块，用于将电机固有步距角细分为多个小步的步距角，根据定子合成磁动势计算出细分电流数据；
所述畸变模块，用于依次根据设定的转速，输入所述细分电流数据驱动电机转动，并通过示波器记录每相实际输出的电流畸变数据；
所述修正模块，用于通过所述电流畸变数据与理想数据反向计算出修正数据；
所述驱动模块，用于根据当前的实时转速，选取通过所述修正数据修正后的细分电流数据对电机进行驱动。
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