CN114285339A - 一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，通过不同转速选择不同的方式驱动步进电机，包括步骤S1：根据所驱动的步进电机的参数设定对应的I‑V转换和电流滞回次数m，I‑V转换使得输入的电流指令同时匹配电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路，从而使得电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路在输入的电流指令下分时工作。本发明公开的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，其对每一个电流指令执行周期内电路驱动模式进行分时处理，能充分利用电压SPWM驱动方式和斩波恒流驱动方式各自的优点，使步进电机在整个转速范围内都能平稳、静音地转动。

Description

一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法

技术领域

本发明属于步进电机驱动技术领域，具体涉及一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法。

背景技术

对于步进电机，电机的运行噪声一般由步进机械振动和电磁震荡造成的。从电路层面考虑，提高步进电机驱动电流精度，减小电流台阶抖动，是减小步进电机运行噪声的有效方法。目前常见的步进电机驱动方式有两种。一是基于电流调节的斩波恒流驱动方式，二是基于电压调节的SPWM驱动方式。

对于斩波恒流驱动，斩波恒流驱动采用闭环反馈控制，电流响应快，能使电机线圈电流快速稳定在设定值上，适合大多数驱动场合。然而电机转速较低时，电流滞回调节的波动较大，容易加剧步进电机的低频震荡，带来较大运行噪声；

对于电压调节的SPWM驱动方式，较小的输出电压脉冲周期会导致驱动电路电流响应能力变弱，当电机转速增加到一定速度，会造成流过电机线圈的电流无法在一个电压台阶时间内达到指令设定值，而导致失步，因此，电压SPWM驱动方式适合电机转速较低的情况。

因此，针对上述问题，予以进一步改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，其对每一个电流指令执行周期内电路驱动模式进行分时处理，在电流指令开始时采用斩波恒流驱动方式，工作一段时间后切换到电压SPWM驱动方式，采用该分时混合驱动方式，能充分利用电压SPWM驱动方式和斩波恒流驱动方式各自的优点，使步进电机在整个转速范围内都能平稳、静音地转动。

为达到以上目的，本发明提供一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，通过不同转速选择不同的方式驱动步进电机，包括以下步骤：

步骤S1：根据所驱动的步进电机的参数设定对应的I-V转换和电流滞回次数m，I-V转换使得输入的电流指令同时匹配电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路，从而使得电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路在输入的电流指令下分时工作；

步骤S2：指令分时模式控制电路根据输入的电流指令的变化和当前计数值(通过电流滞回计数器计算)与电流滞回次数m之间关系选择输入H桥功率电路的信号来源，从而通过mux选择电路选择对应的驱动电路(电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路)，进而使得在每一个电流指令的执行周期均通过不同的驱动电路进行分时驱动(先斩波恒流驱动后电压SPWM驱动的混合驱动方式，使驱动电流在不同转速下都能快速响应且平稳，步进电机在整个转速范围内都能稳定、静音地转动)。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S2具体实施为以下步骤：

步骤S2.1：当指令分时模式控制电路的电流滞回计数器判断当前的计数值没有达到电流滞回次数m时，mux选择电路选择斩波恒流驱动电路对步进电机进行驱动；

步骤S2.2：当指令分时模式控制电路的电流滞回计数器判断当前的计数值达到电流滞回次数m时，mux选择电路选择电压SPWM驱动电路对步进电机进行驱动。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在步骤S2中，指令分时模式控制电路包括指令切换检测电路、电流滞回计数器和模式控制电路，指令分时模式控制电路的计数方式具体实施为以下步骤：

步骤T2.1：指令切换检测电路包括寄存器和异或电路，当检测到输入的电流指令与寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，将给出的新周期开始指示信号传输到模式控制电路；

步骤T2.2：模式控制电路接收到新周期开始指示信号后输出高电平，通过mux选择电路选择恒流斩波控制信号输入H桥功率电路，进而通过斩波恒流驱动电路对步进电机进行驱动，(整个)电路工作在恒流斩波驱动模式后，电流滞回计数器清零并开始计数；

步骤T2.3：电流滞回计数器接收斩波恒流驱动电路的滞回比较器的输出结果，每检测到一个上升沿电流滞回计数器加1，当电流滞回计数器计数值达到设定的电流滞回次数m时，模式控制电路输出切换到低电平，通过mux选择电路选择电压SPWM控制信号输入H桥功率电路，进而通过电压SPWM驱动电路对步进电机进行驱动，使(整个)电路工作在电压SPWM驱动模式；

步骤T2.4：重复步骤T2.1-T2.3，以使得驱动电路对每个电流指令执行周期均被划分成斩波恒流驱动模式和电压SPWM驱动模式两个阶段，步进电机驱动电流先在斩波恒流驱动模式下快速达到电流指令设定值(附近)滞回，然后在电压SPWM驱动模式下不断减小滞回抖动，以使得(精确地)稳定在电流指令设定值。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，电路根据步进电机的转速大小自动调节一个电流指令执行周期内电压SPWM驱动模式的执行时间长短，步进电机的转速越快，电压SPWM驱动模式的执行时间t2越短，并且当t2变为0时，电路只工作在恒流斩波驱动模式(避免单独驱动方式电机转速适用范围的限制)。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在步骤S2.1中：

输入的电流指令传输到滞回比较器的正极输入端并且电流检测电路将流过步进电机的线圈的实际电流传输到滞回比较器的负极输入端，以使得滞回比较器将实际电流与电流指令设置的目标电流进行比较，比较结果经电流滞环控制电路控制H桥功率电路功率管打开或关断；

当步进电机的实际电流小于目标电流的滞回低值时，电路进入Ton阶段，功率管打开使流过步进电机的线圈电流逐渐增加，当步进电机的线圈电流增加到目标电流的滞回高值时，电路结束Ton阶段并且电路进入Toff阶段，功率管关闭使流过步进电机的线圈电流开始减小；如此反复调节，使流过步进电机的线圈的电流稳定在设定电流值(附近)。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在步骤S2.2中：

输入的电流指令通过I-V转换为对应的电压指令并且将转换后的电压指令传输到比较器的正极输入端，比较器的负极输入端连接三角波发生器，以使得比较器将设定的电压指令和三角波发生器产生的固定频率和固定幅度的三角波信号进行比较，从而产生对应占空比的PWM信号；

PWM信号输入H桥功率电路，以控制功率管导通与关断，并且转化成幅值为电源电压的电压脉冲，在电压脉冲驱动下步进电机进行动作；

输出电压脉冲为高时流过步进电机的线圈的电流增加，输出电压脉冲为低时电流减小；在多个周期的调节后，流过步进电机的线圈的电流稳定在电压指令对应的电流幅值上，输出电压脉冲的等效电压值与电压指令设定的电压成线性关系，电压指令升高，输出电压脉冲占空比等比例增加，当控制电压指令设定的电压呈正弦变化时，输出电压脉冲的等效电压也呈正弦变化，在正弦电压驱动下步进电机平稳运转。

本发明的有益效果为：

为了减小步进电机台阶电流的波动，本发明根据斩波恒流驱动方式和电压SPWM驱动方式的驱动电流特性，提出了一种分时混合驱动方式，即对每一个电流指令执行周期内电路驱动模式进行分时处理，在电流指令开始时采用斩波恒流驱动方式，工作一段时间后切换到电压SPWM驱动方式，采用该分时混合驱动方式，能充分利用电压SPWM驱动方式和斩波恒流驱动方式各自的优点，避免单独驱动方式电机转速适用范围的限制，使步进电机在整个转速范围内都能平稳、静音地转动。

附图说明

图1是本发明的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法的结构示意图。

图2A是本发明的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法的分时混合驱动方式的电流调节示意图。

图2B是本发明的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法的指令分时模式控制电路图。

图3A是本发明的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法的斩波恒流驱动电路图。

图3B是本发明的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法的斩波恒流驱动电路的电流示意图。

图4A是本发明的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法的电压SPWM驱动电路图。

图4B是本发明的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法的电压SPWM驱动电路的电流示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的电流指令和步进电机等可被视为现有技术。

优选实施例。

本发明公开了一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，通过不同转速选择不同的方式驱动步进电机，包括以下步骤：

步骤S1：根据所驱动的步进电机的参数设定对应的I-V转换和电流滞回次数m，I-V转换使得输入的电流指令同时匹配电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路，从而使得电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路在输入的电流指令下分时工作；

步骤S2：指令分时模式控制电路根据输入的电流指令的变化和当前计数值(通过电流滞回计数器计算)与电流滞回次数m之间关系选择输入H桥功率电路的信号来源，从而通过mux选择电路选择对应的驱动电路(电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路)，进而使得在每一个电流指令的执行周期均通过不同的驱动电路进行分时驱动(先斩波恒流驱动后电压SPWM驱动的混合驱动方式，使驱动电流在不同转速下都能快速响应且平稳，步进电机在整个转速范围内都能稳定、静音地转动)。

具体的是，步骤S2具体实施为以下步骤：

步骤S2.1：当指令分时模式控制电路的电流滞回计数器判断当前的计数值没有达到电流滞回次数m时，mux选择电路选择斩波恒流驱动电路对步进电机进行驱动；

步骤S2.2：当指令分时模式控制电路的电流滞回计数器判断当前的计数值达到电流滞回次数m时，mux选择电路选择电压SPWM驱动电路对步进电机进行驱动。

如图2A和2B所示，更具体的是，在步骤S2中，指令分时模式控制电路包括指令切换检测电路、电流滞回计数器和模式控制电路，指令分时模式控制电路的计数方式具体实施为以下步骤：

步骤T2.1：指令切换检测电路包括寄存器和异或电路，当检测到输入的电流指令与寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，将给出的新周期开始指示信号传输到模式控制电路；

步骤T2.2：模式控制电路接收到新周期开始指示信号后输出高电平，通过mux选择电路选择恒流斩波控制信号输入H桥功率电路，进而通过斩波恒流驱动电路对步进电机进行驱动，(整个)电路工作在恒流斩波驱动模式后，电流滞回计数器清零并开始计数；

步骤T2.3：电流滞回计数器接收斩波恒流驱动电路的滞回比较器的输出结果，每检测到一个上升沿电流滞回计数器加1，当电流滞回计数器计数值达到设定的电流滞回次数m时，模式控制电路输出切换到低电平，通过mux选择电路选择电压SPWM控制信号输入H桥功率电路，进而通过电压SPWM驱动电路对步进电机进行驱动，使(整个)电路工作在电压SPWM驱动模式；

步骤T2.4：重复步骤T2.1-T2.3，以使得驱动电路对每个电流指令执行周期均被划分成斩波恒流驱动模式和电压SPWM驱动模式两个阶段，步进电机驱动电流先在斩波恒流驱动模式下快速达到电流指令设定值(附近)滞回，然后在电压SPWM驱动模式下不断减小滞回抖动，以使得(精确地)稳定在电流指令设定值。

进一步的是，路根据步进电机的转速大小自动调节一个电流指令执行周期内电压SPWM驱动模式的执行时间长短，步进电机的转速越快，电压SPWM驱动模式的执行时间t2越短，并且当t2变为0时，电路只工作在恒流斩波驱动模式(避免单独驱动方式电机转速适用范围的限制)。

更进一步的是，在步骤S2.1中：

如图3A所示，输入的电流指令传输到滞回比较器的正极输入端并且电流检测电路将流过步进电机的线圈的实际电流传输到滞回比较器的负极输入端，以使得滞回比较器将实际电流与电流指令设置的目标电流进行比较，比较结果经电流滞环控制电路控制H桥功率电路功率管打开或关断；

如图3B所示，当步进电机的实际电流小于目标电流的滞回低值时，电路进入Ton阶段，功率管打开使流过步进电机的线圈电流逐渐增加，当步进电机的线圈电流增加到目标电流的滞回高值时，电路结束Ton阶段并且电路进入Toff阶段，功率管关闭使流过步进电机的线圈电流开始减小；如此反复调节，使流过步进电机的线圈的电流稳定在设定电流值(附近)。

优选地，在步骤S2.2中：

如图4A所示，输入的电流指令通过I-V转换为对应的电压指令并且将转换后的电压指令传输到比较器的正极输入端，比较器的负极输入端连接三角波发生器，以使得比较器将设定的电压指令和三角波发生器产生的固定频率和固定幅度的三角波信号进行比较，从而产生对应占空比的PWM信号；

PWM信号输入H桥功率电路，以控制功率管导通与关断，并且转化成幅值为电源电压的电压脉冲，在电压脉冲驱动下步进电机进行动作；

如图4B所示，输出电压脉冲为高时流过步进电机的线圈的电流增加，输出电压脉冲为低时电流减小；在多个周期的调节后，流过步进电机的线圈的电流稳定在电压指令对应的电流幅值上，输出电压脉冲的等效电压值与电压指令设定的电压成线性关系，电压指令升高，输出电压脉冲占空比等比例增加，当控制电压指令设定的电压呈正弦变化时，输出电压脉冲的等效电压也呈正弦变化，在正弦电压驱动下步进电机平稳运转。

优选地，本发明增加了I-V转换电路、mux选择电路和指令分时模式控制电路，将基于电流调节的斩波恒流驱动电路和基于电压调节的SPWM驱动电路整合在一起，构建了一种分时选择不同驱动方式的步进电机静音驱动电路。I-V转换电路将指令设定的电流值转换为对应的电压值，解决斩波恒流驱动电路和电压SPWM驱动电路输入指令参量不同的问题。指令分时模式控制电路检测输入电流指令的变化和滞回比较器的结果，决定输入H桥功率电路控制信号的来源。当检测到新电流指令周期开始时，选择斩波恒流驱动控制信号控制H桥功率管开合，使电路工作在斩波恒流驱动方式；当检测到电机线圈电流达到指令设定电流附近时(电流滞回调节次数达到设定次数)，选择电压SPWM驱动控制信号控制H桥功率管开合，使电路工作状态切换到电压SPWM驱动方式。这样每个电流指令执行周期都被划分成斩波恒流驱动和电压SPWM驱动两个阶段。斩波恒流驱动电流响应快，能使电机线圈电流快速达到指令设定值附近；电压SPWM驱动电流波动小，待斩波恒流驱动阶段结束后，平均斩波恒流驱动电流滞回波动的影响，使台阶电流更加平稳。采用该混合驱动方式在一定程度上解决了斩波恒流驱动方式台阶电流波动较大问题，同时又避免了电压SPWM驱动方式在中高转速下驱动电流响应速度不够问题。

优选地，本发明的原理为：

本发明增加了I-V转换电路、mux选择电路和指令分时模式控制电路，将基于电流调节的斩波恒流驱动电路和基于电压调节的SPWM驱动电路整合在一起，构建了一种分时选择不同驱动方式的步进电机静音驱动电路，I-V转换电路用于将指令设定的电流值转换为对应的电压值(V＝I*R)，留给后续SPWM驱动电路使用，统一斩波恒流驱动电路和电压SPWM驱动电路输入指令参量。mux电路用于构建斩波恒流驱动和电压SPWM驱动选择通路。而指令分时模式控制电路检测输入电流指令的变化和滞回比较器的结果，决定输入H桥功率电路控制信号的来源，使驱动电路工作在斩波恒流驱动方式或电压SPWM驱动方式下。

本发明提出的分时混合驱动电路的工作模式由指令分时模式控制电路决定，由指令切换检测电路、电流滞回计数器和模式控制电路组成。指令切换检测电路由一组寄存器和异或电路实现，当检测到输入电流指令与寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，给出新周期开始指示信号。模式控制电路接收到新周期开始指示信号后输出高电平，选择恒流斩波控制信号输入H桥功率电路，使电路工作在恒流斩波驱动模式。电路工作在恒流斩波驱动模式后，电流滞回计数器清零并开始计数。电流滞回计数器接收滞回比较器的输出结果，每检测到一个上升沿计数器加1。当电流滞回计数器计数值达到设定的电流滞回次数m时，模式控制电路输出切换到低电平，选择电压SPWM控制信号输入H桥功率电路，使电路工作在电压SPWM驱动模式。如此重复，驱动电路每个电流指令执行周期都被划分成斩波恒流驱动和电压SPWM驱动两个阶段，如图2A所示，步进电机驱动电流先在斩波恒流驱动下快速达到指令设定值附近滞回，后在电压SPWM驱动下不断减小滞回抖动，更精确的稳定在指令设定值上。

本发明提出的分时混合驱动电路使用简单，只需设定指令I-V转换参数R和模式切换所需的电流滞回次数m即可。电路能根据电机转速大小自动调节一个指令周期内电压SPWM驱动的执行时间长短。电机转速越快，电压SPWM驱动执行时间t₂越短(当t₂变为0时，电路只工作在斩波恒流驱动模式下)，避免单独驱动方式电机转速适用范围的限制。电路通对每个电流指令周期分时模式控制，先斩波恒流驱动后电压SPWM驱动的混合驱动方式，使驱动电流在不同转速下都能快速响应且平稳，步进电机在整个转速范围内都能稳定、静音地转动。

值得一提的是，本发明专利申请涉及的电流指令和步进电机等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，通过不同转速选择不同的方式驱动步进电机，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据所驱动的步进电机的参数设定对应的I-V转换和电流滞回次数m，I-V转换使得输入的电流指令同时匹配电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路，从而使得电压SPWM驱动电路和斩波恒流驱动电路在输入的电流指令下分时工作；

步骤S2：指令分时模式控制电路根据输入的电流指令的变化和当前计数值与电流滞回次数m之间关系选择输入H桥功率电路的信号来源，从而通过mux选择电路选择对应的驱动电路，进而使得在每一个电流指令的执行周期均通过不同的驱动电路进行分时驱动。

2.根据权利要求1所述的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，其特征在于，步骤S2具体实施为以下步骤：

步骤S2.1：当指令分时模式控制电路的电流滞回计数器判断当前的计数值没有达到电流滞回次数m时，mux选择电路选择斩波恒流驱动电路对步进电机进行驱动；

步骤S2.2：当指令分时模式控制电路的电流滞回计数器判断当前的计数值达到电流滞回次数m时，mux选择电路选择电压SPWM驱动电路对步进电机进行驱动。

3.根据权利要求2所述的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，其特征在于，在步骤S2中，指令分时模式控制电路包括指令切换检测电路、电流滞回计数器和模式控制电路，指令分时模式控制电路的计数方式具体实施为以下步骤：

步骤T2.1：指令切换检测电路包括寄存器和异或电路，当检测到输入的电流指令与寄存器暂存的上一时刻电流指令不一致时，将给出的新周期开始指示信号传输到模式控制电路；

步骤T2.2：模式控制电路接收到新周期开始指示信号后输出高电平，通过mux选择电路选择恒流斩波控制信号输入H桥功率电路，进而通过斩波恒流驱动电路对步进电机进行驱动，电路工作在恒流斩波驱动模式后，电流滞回计数器清零并开始计数；

步骤T2.3：电流滞回计数器接收斩波恒流驱动电路的滞回比较器的输出结果，每检测到一个上升沿电流滞回计数器加1，当电流滞回计数器计数值达到设定的电流滞回次数m时，模式控制电路输出切换到低电平，通过mux选择电路选择电压SPWM控制信号输入H桥功率电路，进而通过电压SPWM驱动电路对步进电机进行驱动，使电路工作在电压SPWM驱动模式；

步骤T2.4：重复步骤T2.1-T2.3，以使得驱动电路对每个电流指令执行周期均被划分成斩波恒流驱动模式和电压SPWM驱动模式两个阶段，步进电机驱动电流先在斩波恒流驱动模式下快速达到电流指令设定值滞回，然后在电压SPWM驱动模式下不断减小滞回抖动，以使得稳定在电流指令设定值。

4.根据权利要求3所述的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，其特征在于，电路根据步进电机的转速大小自动调节一个电流指令执行周期内电压SPWM驱动模式的执行时间长短，步进电机的转速越快，电压SPWM驱动模式的执行时间t2越短，并且当t2变为0时，电路只工作在恒流斩波驱动模式。

5.根据权利要求4所述的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，其特征在于，在步骤S2.1中：

输入的电流指令传输到滞回比较器的正极输入端并且电流检测电路将流过步进电机的线圈的实际电流传输到滞回比较器的负极输入端，以使得滞回比较器将实际电流与电流指令设置的目标电流进行比较，比较结果经电流滞环控制电路控制H桥功率电路功率管打开或关断；

当步进电机的实际电流小于目标电流的滞回低值时，电路进入Ton阶段，功率管打开使流过步进电机的线圈电流逐渐增加，当步进电机的线圈电流增加到目标电流的滞回高值时，电路结束Ton阶段并且电路进入Toff阶段，功率管关闭使流过步进电机的线圈电流开始减小；如此反复调节，使流过步进电机的线圈的电流稳定在设定电流值。

6.根据权利要求5所述的一种应用于步进电机的自适应转速分时混合驱动方法，其特征在于，在步骤S2.2中：

输入的电流指令通过I-V转换为对应的电压指令并且将转换后的电压指令传输到比较器的正极输入端，比较器的负极输入端连接三角波发生器，以使得比较器将设定的电压指令和三角波发生器产生的固定频率和固定幅度的三角波信号进行比较，从而产生对应占空比的PWM信号；

PWM信号输入H桥功率电路，以控制功率管导通与关断，并且转化成幅值为电源电压的电压脉冲，在电压脉冲驱动下步进电机进行动作；

输出电压脉冲为高时流过步进电机的线圈的电流增加，输出电压脉冲为低时电流减小；在多个周期的调节后，流过步进电机的线圈的电流稳定在电压指令对应的电流幅值上，输出电压脉冲的等效电压值与电压指令设定的电压成线性关系，电压指令升高，输出电压脉冲占空比等比例增加，当控制电压指令设定的电压呈正弦变化时，输出电压脉冲的等效电压也呈正弦变化，在正弦电压驱动下步进电机平稳运转。

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