CN113489393B - 一种永磁式步进电机细分驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁式步进电机细分驱动方法，包括：1：根据行程，最大速度，加速度，系统参数，依梯形加减速模型，计算步进电机加速到最大速度所需的步数N₁、加速行程D₁和步进电机的驱动命令时钟周期上下限；2：对步进电机启动阶段和停止阶段采用保持相同时间间隔的运行方式进行细分驱动；3：对加速阶段和减速阶段采用保持相同角度间隔的运行方式进行细分驱动；4：加速阶段步进电机细分数逐次降低，减速阶段步进电机细分数逐渐增大。本发明能在较低的电机驱动系统性能要求下，降低步进电机启动、加速、减速和停止阶段对负载系统的扭矩扰动，从而能使永磁式步进电机更广泛的应用于各种高精度系统控制场景中。

Description

一种永磁式步进电机细分驱动方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体的说是一种改进型永磁式步进电机细分驱动方法。

背景技术

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。随着目前航空航天技术的快速发展，步进电机基于其独特的优点在航天领域中占有一席之地。永磁式步进电机具有价格低，结构简单，动态性能好，输出力矩大的优点，但其步距角大，控制精度低，在高速运行时会对小卫星平台上产生力矩扰动。

细分控制能够提高电机的运转性能，高细分数可以改善电机的振动情况。步进电机运行时负载产生的扭矩扰动多以增加细分数来改善，对电机启动和加速阶段多采用同一细分数来运行，从而局限了细分数的选择，增加了系统性能要求。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种永磁式步进电机细分驱动方法，降低了步进电机驱动系统的性能要求、降低了负载启动和加速阶段对卫星平台的扭矩扰动，从而能使永磁式步进电机更广泛的应用于各种高精度系统控制场景中。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种永磁式步进电机细分驱动方法的特点在于，是应用于永磁式步进电机的驱动系统中，并包括以下步骤：

步骤1、设定步进电机最大速度Vmax和加速度a，且满足：以加速度a对步进电机进行加速，总行程运行1/2时所达到的电机速度大于所设定的步进电机最大速度Vmax；

令驱动系统的固有频率为Fmin，驱动系统中的处理器频率为Fmax，驱动命令时钟周期的频率介于Fmin和Fmax之间，并远大于固有频率Fmin，令驱动命令时钟周期T₀介于固有频率的倒数和处理器频率的倒数之间，即Tmin<T₀<Tmax；

步骤2、根据梯形加减速控制方法构建步进电机的加减速模型，用于计算步进电机加速到最大速度Vmax时所需的加速阶段的行程D₁和步数N₁；

步骤3、令步进电机的加速阶段的行程D₁和减速阶段的行程始终相同；

步骤4、对步进电机的总行程D₀，若D₀>2×D₁，则令步进电机的匀速阶段的行程为D₀-2×D₁，步进电机的加速阶段的步数N₁与减速阶段的步数S₁相同，从而计算得到匀速阶段的步数N₃；若D₀＝2×D₁，则令匀速阶段的行程为0；

步骤5、电机由静止阶段到启动阶段，对第0.5步进行细分，每一细分微步采用相等的时间间隔，角度逐步增大，完成步进电机的启动阶段；

步骤6、电机由启动阶段到加速阶段，采用等角度细分驱动方式对步进电机的第0.5步至N₁步中的每一步进行细分，每一细分微步之间逐渐缩短间隔时间，以相等的角度间隔完成步进电机的加速阶段；

步骤7、判断驱动系统是否存在匀速阶段，若存在，则对匀速阶段中的每一步均采用与第N₁步的相同的细分数来完成步进电机的匀速阶段，再执行步骤8；否则，直接执行步骤8；

步骤8、在步进电机的减速阶段，按加速阶段的细分方式反向完成第N₁步到第0.5步，第0.5步到静止状态的运动。

本发明所述的永磁式步进电机细分驱动方法的特点也在于，所述角度细分方式中，对第0.5步到第N₁步，按照如下顺序逐渐减少每一步的细分数：

步骤a、令Mi表示第i个偶数变量，M(i+1)表示第i+1个偶数变量，且Mi≥2；M(i+1)>M(i)；

步骤b、定义变量j，并初始化j＝1；将步进电机第0.5步中的细分数设为M₁；

步骤c、判断驱动命令时钟周期T₀是否第j次逐渐接近Tmin，若是，则将第j次接近时所对应的步数记为第Xj步，并从第Xj+1步开始，将步进电机每一步的细分数降为M(j+1)；若否，保持细分数Mj；

步骤d、将j+1赋值给j后返回步骤c，直到步进电机的运行速度到达最大速度Vmax，从而完成加速阶段。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明在电机启动阶段和停止阶段采用了基于相同时间间隔的细分驱动方法，通过设定恒定的步进率(1/步进时间)，减小启动阶段和停止阶段对系统的扭矩扰动。

2、本发明在电机加速阶段采用了基于相同角度间隔的细分驱动方法，随着速度增加，采用细分数逐渐降低的驱动方式，降低对系统硬件的性能要求，减小加速阶段对系统的扭矩扰动，减速阶段反之。

附图说明

图1为本发明的通用算法流程图；

图2为本发明实例的启动阶段和加速阶段速度随时间变化点状图。该实例中，步进电机步距角30°，最高速度840°/s，加速度保持为526°/s²，依本细分算法获得的细分控制图，图中仅显示了前5步；

图3为启动阶段，即图2中0到A点，对前1/2步距角进行相同时间间隔进行时间细分驱动时时间与速度的点状图；

图4为加速阶段前2步，即图2中A到B点，从1/2步距角到2.5倍步距角以相同角度间隔进行角度细分驱动时时间与速度的点状图。

具体实施方式

本实例中，一种永磁式步进电机驱动方法是应用于永磁式步进电机的驱动系统中，并包括以下步骤：

步骤1、设定步进电机最大速度Vmax和加速度a，且满足：以加速度a对步进电机进行加速，总行程运行1/2时所达到的电机速度大于所设定的步进电机最大速度Vmax；

实际工程中，负载的运动角度是任意的，步进电机无论如何运动，驱动算法都应该起作用。步进电机的最高速度小于总行程角度的1/2中可以达到的速度。则如果运动时间足够长，则步进电机必须停止加速并以最高速度运行，直到需要减速为止。

令驱动系统的固有频率为Fmin，驱动系统中的处理器中断服务频率为Fmax，驱动命令时钟周期的频率介于Fmin和Fmax之间，并远大于固有频率Fmin，令驱动命令时钟周期T₀介于固有频率的倒数和处理器中断服务频率的倒数之间，即Tmin<T₀<Tmax；

图2中系统固有周期频率为50Hz，由于处理器性能和中断服务程序开销，驱动命令时钟周期上限频率大约为600Hz，设定驱动命令时钟周期频率为186Hz～555Hz，则1.8ms<T₀<5.3ms。

步骤2、根据梯形加减速控制方法构建步进电机的加减速模型，用于计算步进电机加速到最大速度Vmax时所需的加速阶段的行程D₁和步数N₁；

步骤3、令步进电机的加速阶段的行程D₁和减速阶段的行程始终相同；

步骤4、对步进电机的总行程D₀，若D₀>2×D₁，则令步进电机的匀速阶段的行程为D₀-2×D₁，步进电机的加速阶段的步数N₁与减速阶段的步数S₁相同，从而计算得到匀速阶段的步数N₃；若D₀＝2×D₁，则令匀速阶段的行程为0；

实际应用中，步进电机需要能够平稳的减速，并且需要支持任意数量的步骤，这可以通过将步进电机的运动分为五个部分来实现。依算法流程图1所示，第一部分是启动阶段，前1/2步距角按相同时间间隔加速，第二部分是加速阶段，从1/2步距角开始直到到达运动的中点或是到加速完成为止。对于短行程运动(无匀速阶段)，步进电机立即进入第四部分开始减速。对于长行程运动，则进入第三部分以最高速度匀速运动，直到进入第四部分。这两种情况下，都通过对加速阶段反向执行来进行减速(从加速后停止的地方开始)直到进入第五部分进入停止阶段，最终运动完成。最后一步长度始终与第一步相同。由图2可以看出，从开始到A点属于启动阶段，速度增加的时间间隔相等，在加速阶段，速度增加的时间间隔越来越短，点逐渐变得密集，B点之后，随着细分数减少，时间间隔增大，点变得稀疏。全过程加速度保持恒定。

步骤5、电机由静止阶段到启动阶段，对第0.5步进行细分，每一细分微步采用相等的时间间隔，角度逐步增大，完成步进电机的启动阶段；

图2中，前0.5步包含的1/2步距角采用间隔相等的时间进行细分，时间间隔恒定为3.753ms，细分数24，前0.5步一共细分了12微步。图3可以看出启动过程中，速度增加相同的大小，时间间隔是恒定的。

步骤6、电机由启动阶段到加速阶段，采用等角度细分驱动方式对步进电机的第0.5步至N₁步中的每一步进行细分，每一细分微步之间逐渐缩短间隔时间，以相等的角度间隔完成步进电机的加速阶段；

图2中启动完成后，加速阶段采用间隔相同角度进行细分，细分数12，角度间隔为2.5°，到第2.5步，时间间隔逐渐逼近系统性能限制，到达1.83ms，将细分数降为8，角度间隔变为3.75°，到第5步，时间间隔到达1.94ms，再次逼近系统性能限制，将细分数降为6，依此顺序，减小细分数直到加速完成。图4为从1/2步距角到2.5倍步距角运动过程中，步进电机运行时间与速度的关系图，可以看出速度增加相同的大小，时间间隔越来越短，细分数降低后，时间间隔增加。

步骤7、判断驱动系统是否存在匀速阶段，若存在，则对匀速阶段中的每一步均采用与第N₁步的相同的细分数来完成步进电机的匀速阶段，再执行步骤8；否则，直接执行步骤8；

步进电机以最高速度匀速运动时，依然采用第N₁步的细分数对运动中每一步进行细分。

步骤8、在步进电机的减速阶段，按加速阶段的细分方式反向完成第N₁步到第0.5步，第0.5步到静止状态的运动。

参考流程图1的顺序，逆序从下到上完成步进电机的减速运动。

具体实施中，在角度细分方式中，对第0.5步到第N₁步，按照如下顺序逐渐减少每一步的细分数：

步骤a、令Mi表示第i个偶数变量，M(i+1)表示第i+1个偶数变量，且Mi≥2；M(i+1)>M(i)；

步骤b、定义变量j，并初始化j＝1；将步进电机第0.5步中的细分数设为M₁；

步骤c、判断驱动命令时钟周期T₀是否第j次逐渐接近Tmin，若是，则将第j次接近时所对应的步数记为第Xj步，并从第Xj+1步开始，将步进电机每一步的细分数降为M(j+1)；若否，保持细分数Mj；

步骤d、将j+1赋值给j后返回步骤c，直到步进电机的运行速度到达最大速度Vmax，从而完成加速阶段。

如图2所示，加速阶段从0.5步开始，每步细分数设定为12(驱动命令时钟周期T₀＝3.9ms小于Tmax＝5.3ms)，直到第2.5步驱动命令时钟周期接近Tmin＝1.8ms，细分数降为8，到第5步，驱动命令时钟周期T₀＝1.9ms，细分数降为6，继续加速到第10步，驱动命令时钟周期T₀＝1.83ms，细分数降为4，加速到第20步，驱动命令时钟周期T₀＝1.93ms，细分数降为2，加速到第82步，加速完成，步进电机转动82*30°＝2460°。加速完成，如果总行程大于2460°*2＝4920°，则步进电机继续以840°/s速度，每步细分数2运转，直到开始减速，减速时，按加速阶段反向进行，细分数逐渐由2到4到6到8到12，最后半步到24，直到步进电机停止。

Claims (2)

1.一种永磁式步进电机细分驱动方法，其特征在于，是应用于永磁式步进电机的驱动系统中，并包括以下步骤：

步骤1、设定步进电机最大速度Vmax和加速度a，且满足：以加速度a对步进电机进行加速，总行程运行1/2时所达到的电机速度大于所设定的步进电机最大速度Vmax；

令驱动系统的固有频率为Fmin，驱动系统中的处理器频率为Fmax，驱动命令时钟周期的频率介于Fmin和Fmax之间，并远大于固有频率Fmin，令驱动命令时钟周期T₀介于固有频率的倒数和处理器频率的倒数之间，即Tmin<T₀<Tmax；

步骤2、根据梯形加减速控制方法构建步进电机的加减速模型，用于计算步进电机加速到最大速度Vmax时所需的加速阶段的行程D₁和步数N₁；

步骤3、令步进电机的加速阶段的行程D₁和减速阶段的行程始终相同；

步骤4、对步进电机的总行程D₀，若D₀>2×D₁，则令步进电机的匀速阶段的行程为D₀-2×D₁，步进电机的加速阶段的步数N₁与减速阶段的步数S₁相同，从而计算得到匀速阶段的步数N₃；若D₀=2×D₁，则令匀速阶段的行程为0；

步骤5、电机由静止阶段到启动阶段，对第0.5步进行细分，每一细分微步采用相等的时间间隔，角度逐步增大，完成步进电机的启动阶段；

步骤6、电机由启动阶段到加速阶段，采用等角度细分驱动方式对步进电机的第0.5步至N₁步中的每一步进行细分，每一细分微步之间逐渐缩短间隔时间，以相等的角度间隔完成步进电机的加速阶段；

步骤7、判断驱动系统是否存在匀速阶段，若存在，则对匀速阶段中的每一步均采用与第N₁步的相同的细分数来完成步进电机的匀速阶段，再执行步骤8；否则，直接执行步骤8；

步骤8、在步进电机的减速阶段，按加速阶段的细分方式反向完成第N₁步到第0.5步，第0.5步到静止状态的运动。

2.根据权利要求1所述的永磁式步进电机细分驱动方法，其特征是，所述角度细分方式中，对第0.5步到第N₁步，按照如下顺序逐渐减少每一步的细分数：

步骤a、令M(i)表示第i个偶数变量，M(i+1)表示第i+1个偶数变量，且M(i)≥2；M(i+1)>M(i)；

步骤b、定义变量j，并初始化j=1；将步进电机第0.5步中的细分数设为M₁；

步骤c、判断驱动命令时钟周期T₀是否第j次逐渐接近Tmin，若是，则将第j次接近时所对应的步数记为第Xj步，并从第Xj+1步开始，将步进电机每一步的细分数降为M(j+1)；若否，保持细分数M(j)；

步骤d、将j+1赋值给j后返回步骤c，直到步进电机的运行速度到达最大速度Vmax，从而完成加速阶段。

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