CN111049437B

CN111049437B - 一种步进电机反电动势电压补偿方法、装置、设备及介质

Info

Publication number: CN111049437B
Application number: CN201911349218.7A
Authority: CN
Inventors: 施小灵; 杨增启; 李剑平
Original assignee: Zhejiang Dahua Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Dahua Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: US20220271693A1; EP4042558A1; EP4042558A4; WO2021128862A1; US12015370B2; CN111049437A

Abstract

本发明公开了一种步进电机反电动势电压补偿方法、装置、设备及介质，用以改进电机电流波形正弦度，从而解决电机运行时振动及产生噪音的问题，且将电机电流控制在设定值。所述方法包括：基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数、负载角和电机参数，确定驱动电压数值，其中，所述电机参数包括单个电机绕组的相电感和电机相电阻；基于所述驱动电压数值，控制H桥输出驱动电压；将所述驱动电压输出至步进电机，所述驱动电压用于驱动所述步进电机工作。

Description

一种步进电机反电动势电压补偿方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及步进电机控制技术领域，尤其涉及一种步进电机反电动势电压补偿方法、装置、设备及介质。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，具有不受负载变化的影响的优势，随着步进电机行业的快速发展，步进电机的应用越来越广泛。

现有技术中，普遍采用了内置脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)斩波控制器的集成电路驱动芯片的方案去驱动步进电机，驱动电路产生PWM斩波，并同时采集电机绕组的电流，通过反馈电流控制PWM斩波发生器的占空比以将电机绕组电流稳定在设定值，然而反馈调节系统输出值并非真正恒定的，导致在电机静止时，电机绕组电流存在非周期性的纹波，进而可能产生人耳能听见的噪音；同时电机电流过零点失真，进而导致电机振动。

发明内容

本发明实施例提供了一种步进电机反电动势电压补偿方法、装置、设备及介质，用以改进电机电流波形正弦度，从而解决电机运行时振动及产生噪音的问题，且将电机电流控制在设定值。

第一方面，本发明实施例提供了一种步进电机反电动势电压补偿方法，该方法包括：

基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数、负载角和电机参数，确定驱动电压数值，其中，电机参数包括单个电机绕组的相电感、电机相电阻和H桥导通电阻；

基于驱动电压数值，控制H桥输出驱动电压；

将驱动电压输出至步进电机，驱动电压用于驱动步进电机工作。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的方法中，基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数和电机参数，确定驱动电压数值，包括：

基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数和电机参数，采用公式

确定驱动电压数值，其中，|U|为驱动电压数值，|I|为电机设定正弦波电流幅度，ω为驱动电压角频率，γ为负载角的余角，L为单个电机绕组的相电感，R为电机相电阻，|C|为反电动势常数。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的方法中，反电动势常数的计算方法包括：

将给定驱动电压输出至步进电机并驱动步进电机工作；

获取步进电机工作时的电机线圈电流；

采用公式

确定反电动势常数，其中，|U₁|为给定正弦波驱动电压幅度，|I₁|为电机线圈正弦波驱动电流幅度，ω为驱动电压的角频率，L为单个电机绕组的相电感，R为电机相电阻，|C|为反电动势常数，φ为给定驱动电压的相位。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的方法中，电机相电阻还包括H桥导通电阻，所述电机相电阻的计算方法包括：

根据电机运行环境修正所述电机相电阻，其中电机运行环境包括：电机运行温度，电机损耗程度。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的方法中，电机相电阻的计算方法包括：

采用公式R₁＝R_25℃×(1+(T-25)*0.004)，确定电机相电阻，R_25℃为电机工作在25℃时的相电阻，T为电机工作时的电机温度，R₁为电机相电阻。

第二方面，本发明实施例提供了步进电机反电动势电压补偿装置，装置包括：

处理单元，用于基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数、负载角和电机参数，确定驱动电压数值，其中，电机参数包括单个电机绕组的相电感和电机相电阻；

控制单元，用于基于驱动电压数值，控制H桥输出驱动电压；

输出单元，用于将驱动电压输出至步进电机，驱动电压用于驱动步进电机工作。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，处理单元具体用于：

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，处理单元采用如下方法计算反电动势常数：

将给定驱动电压输出至步进电机并驱动步进电机工作；

获取步进电机工作时的电机线圈电流；

采用公式

确定反电动势常数，其中，|U₁|为给定正弦波驱动电压幅度，|I₁|为电机线圈正弦波电流幅度，ω为驱动电压的角频率，L为单个电机绕组的相电感，R为电机相电阻，|C|为反电动势常数，φ为给定驱动电压的相位。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，电机相电阻还包括H桥导通电阻，处理单元还用于：

根据电机运行环境修正电机相电阻，其中电机运行环境包括：电机运行温度，电机损耗程度。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，处理单元采用如下方法计算电机相电阻：

采用公式R₁＝R_25℃×(1+(T-25)*0.004)，确定电机相电阻，其中，R_25℃为电机工作在25℃时的相电阻，T为电机工作时的电机温度，R₁为电机相电阻。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现本申请实施例第一方面提供的方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现本申请实施例第一方面提供的方法。

本发明实施例提供了一种步进电机反电动势电压补偿方法、装置、设备及介质，方法包括：基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数、负载角和电机参数，确定驱动电压数值，其中，电机参数包括单个电机绕组的相电感、电机相电阻和H桥导通电阻；基于驱动电压数值，控制H桥输出驱动电压，再将驱动电压输出至步进电机，驱动电压用于驱动步进电机工作。利用反电动势常数和电机参数，基于电机设定电流、驱动电压角频率，确定驱动电压数值，并通过控制H桥将驱动电压输出至步进电机。与现有技术相比，无需利用反馈方式调节驱动电压，改进了电机电流波形正弦度，从而解决电机运行时振动及产生噪音的问题，且将电机电流控制在设定值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的步进电机反电动势电压补偿方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的步进电机驱动电路模型结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电机工作电流示意图；

图4为本发明实施例提供的步进电机驱动电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的步进电机反电动势电压补偿装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，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”等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，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

下面对文中出现的一些词语进行解释：

1、步进电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机。

2、脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)，一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或半导体场效应晶体管栅极的偏置，来实现晶体管或半导体场效应晶体管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。

3、反电动势，是指由反抗电流发生改变的趋势而产生电动势。

下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，普遍采用了内置PWM斩波控制器的集成电路驱动芯片的方案去驱动步进电机，驱动电路产生PWM斩波，并同时采集电机绕组的电流，通过反馈电流控制PWM斩波发生器的占空比以将电机绕组电流稳定在设定值，然而反馈调节系统输出值并非真正恒定的，导致在电机静止时，电机绕组电流存在非周期性的纹波，进而可能产生人耳能听见的噪音；同时驱动电压过零点失真，进而导致电机振动。

为解决电机运行时振动及产生噪音的问题，如图1所示，本发明实施例提供的步进电机反电动势电压补偿方法，其步骤可以包括：

S101：基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数和电机参数，确定驱动电压数值。

具体实施时，根据步进电机的具体工作状态与运行环境，决定电机设定电流与驱动电压角频率，采用公式

公式

的推导过程如下：

如图2所示，为本发明实施例提供的步进电机驱动电路模型，电源201提供驱动电压U，电机202中，电机相电感为L，电机相电阻为R，电机反电动势为C。由图2所示的电路模型，可得：U＝I·(R+jωL)+ωC，其中U，I，C皆为矢量。

将L，R化为向量用模与相位表示，即：

取i为基准相位0，将U＝I·(R+jωL)+ωC用几何向量法表示得：

进一步化解得：

将

代入化简可得：

同时，根据U＝|U|·sinωt，

则得

根据根据U＝|U|·cosωt，

则得

同理，根据

可得：

由上述公式可知，将给定驱动电压输出至步进电机，驱动步进电机工作，并测量此时步进电机工作的电机线圈电流；

采用公式

即可确定反电动势常数，式中|U₁|为给定正弦波驱动电压幅度，|I₁|为电机线圈正弦波电流幅度，ω为驱动电压的角频率，L为单个电机绕组的相电感，R为电机相电阻，|C|为反电动势常数，φ为给定驱动电压的相位。

在一种可能实施的方式中，考虑到微处理器的计算能力有限，|U|值无需实时计算，而是通过给定电流|I|值，只计算一次并将计算结果储存为一张查询表，表格形式为角频率ω对应驱动电压U。在步进电机运行时，仅需通过当前电机的运行速度确定驱动电压角频率，进而用查表法确定驱动电压的幅值。

需要说明的是，查询表可以根据计算结果储存，也可以根据实时测量结果设置，本发明实施例对此不做限定。

在一种可能实施的方式中，相电阻还可以包括H桥导通电阻，由于相电阻随电机温度等环境因素的改变会发生变化，可以采用公式R₁＝R_25℃×(1+(T-25)*0.004)，校正电机相电阻，排除电机温度变化影响电机相电阻，R_25℃为电机工作在25℃时的相电阻，T为电机工作时的电机温度，R₁为电机相电阻。

S102：基于驱动电压数值，控制H桥输出驱动电压。

具体实施时，基于S101中确定的驱动电压数值，产生PWM斩波，由PWM斩波驱动H桥，使H桥输出驱动电压。

S103：将驱动电压输出至步进电机，驱动电压用于驱动步进电机工作。

具体实施时，给定电机设定正弦波电流幅度|I|与负载角γ以及驱动电压角频率ω，相电阻R、L，反电动势常数|C|，即可通过实时根据公式计算得到正弦波驱动电压的幅度|U|或查找表得到正弦波驱动电压的幅度|U|，进而得到驱动电压数值U，将U输入到正弦波正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)产生模块，即可驱动H桥工作，进而控制电机转动。由于正弦波驱动电压的幅度|U|是经过模型参数计算产生，电机实际工作电流的幅度|I|如图3所示，理论上将会达到电流设定值。

相应的，如图4所示，为本发明实施例提供的步进电机驱动电路结构示意图，电机驱动电压通过微控制器401输出PWM信号，以驱动H桥402工作，进而驱动步进电机403工作。

如图5所示，本发明实施例提供的一种步进电机反电动势电压补偿装置，包括：

处理单元501，用于基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数、负载角和电机参数，确定驱动电压数值，其中，电机参数包括单个电机绕组的相电感和电机相电阻；

控制单元502，用于基于驱动电压数值，控制H桥输出驱动电压。

输出单元503，用于将驱动电压输出至步进电机，驱动电压用于驱动步进电机工作。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，处理单元501具体用于：

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，处理单元501采用如下方法计算反电动势常数：

将给定驱动电压输出至步进电机并驱动步进电机工作；

获取步进电机工作时的电机线圈电流；

采用公式

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，电机相电阻还包括H桥导通电阻，处理单元501还用于：

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，处理单元501采用如下方法计算电机相电阻：

采用公式R₁＝R_25℃×(1+(T-25)*0.004)，确定电机相电阻，其中，R_25℃为电机工作在25℃时的相电阻，T为电机工作时的电机温度，R1为电机相电阻。

另外，结合图1-图5描述的本申请实施例的步进电机反电动势电压补偿方法和装置可以由电子设备来实现。图6示出了本申请实施例提供的电子设备的硬件结构示意图。

电子设备可以包括处理器601以及存储有计算机程序指令的存储器602。

具体地，上述处理器601可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者可以被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。

存储器602可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器602可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器602可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器602可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器602是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器602包括只读存储器(ROM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。

处理器601通过读取并执行存储器602中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种步进电机反电动势电压补偿方法。

在一个示例中，电子设备还可包括通信接口603和总线610。其中，如图6所示，处理器601、存储器602、通信接口603通过总线610连接并完成相互间的通信。

通信接口603，主要用于实现本发明实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。

总线610包括硬件、软件或两者，将电子设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、超传输(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线610可包括一个或多个总线。尽管本发明实施例描述和示出了特定的总线，但本发明考虑任何合适的总线或互连。

该电子设备可以执行本发明实施例中的步进电机反电动势电压补偿方法，从而实现结合图1描述的步进电机反电动势电压补偿方法。

另外，结合上述实施例中的步进电机反电动势电压补偿方法，本发明实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种步进电机反电动势电压补偿方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种步进电机反电动势电压补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数、负载角和电机参数，确定驱动电压数值，其中，所述电机参数包括单个电机绕组的相电感和电机相电阻；

基于所述驱动电压数值，控制H桥输出驱动电压；

将所述驱动电压输出至步进电机，所述驱动电压用于驱动所述步进电机工作；

所述基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数和电机参数，确定驱动电压数值，包括：

确定驱动电压数值，其中，|U|为所述驱动电压数值，|I|为所述电机设定正弦波电流幅度，ω为所述驱动电压角频率，γ为所述负载角的余角，L为所述单个电机绕组的相电感，R为所述电机相电阻与所述H桥导通电阻之和，|C|为所述反电动势常数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反电动势常数的计算方法包括：

将给定驱动电压输出至所述步进电机并驱动所述步进电机工作；

获取所述步进电机工作时的电机线圈电流；

采用公式

确定所述反电动势常数，其中，|U₁|为给定正弦波驱动电压幅度，|I₁|为所述电机线圈正弦波电流幅度，ω为所述驱动电压的角频率，L为所述单个电机绕组的相电感，R为所述电机相电阻与所述H桥导通电阻之和，|C|为所述反电动势常数，

为所述给定驱动电压的相位。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机相电阻还包括H桥导通电阻，所述电机相电阻的计算方法包括：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电机相电阻的计算方法包括：

采用公式R₁＝R_25℃×(1+(T-25)*0.004)，确定所述电机相电阻，其中，R_25℃为所述电机工作在25℃时的相电阻，T为所述电机工作时的电机温度，R₁为所述电机相电阻。

5.一种步进电机反电动势电压补偿装置，其特征在于，所述装置包括：

处理单元，用于基于电机设定电流、驱动电压角频率、反电动势常数、负载角和电机参数，确定驱动电压数值，其中，所述电机参数包括单个电机绕组的相电感和电机相电阻；

控制单元，用于基于所述驱动电压数值，控制H桥输出驱动电压；

输出单元，用于将驱动电压输出至步进电机，所述驱动电压用于驱动所述步进电机工作；

所述处理单元具体用于：

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理单元采用如下方法计算反电动势常数：

获取所述步进电机工作时的电机线圈电流；

采用公式

确定所述反电动势常数，其中，|U₁|为给定正弦波驱动电压幅度，|I₁|为所述电机线圈正弦波驱动电流幅度，ω为所述驱动电压的角频率，L为所述单个电机绕组的相电感，R为所述电机相电阻与所述H桥导通电阻之和，|C|为所述反电动势常数，

为所述给定驱动电压的相位。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电机相电阻还包括H桥导通电阻，所述处理单元还用于：

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理单元采用如下方法计算所述电机相电阻：

采用公式R₁＝R_25℃×(1+(T-25)*0.004)，确定所述电机相电阻，其中，R_25℃为电机工作在25℃时的相电阻，T为电机工作时的电机温度，R₁为电机相电阻。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。