CN114337408B - 一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，包括步骤S1：根据所驱动的步进电机的参数设定相匹配的电压补偿斜率k并且根据步进电机目标驱动电压的需求设定电压指令的设定电压幅值A₀和初始转速ω₀，完成设定后启动驱动电路并且输入步进电机的实时转速ω，以使得电压补偿电路根据步进电机的实时转速获得补偿电压ΔV。本发明公开的一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，解决现有驱动方案的驱动电流随转速增加而降低的缺点，使步进电机在同转速下输出转矩保持不变，运行更平稳。

Description

一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法

技术领域

本发明属于步进电机驱动技术领域，具体涉及一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法。

背景技术

对于步进电机，基于电压的脉宽调制驱动技术是较为常用的驱动方法，但是在驱动过程中，流过步进电机的线圈的驱动电流随着电机的实时转速增加而减小，从而使得步进电机的输出转矩减小，而对于工业领域，理想的步进电机的驱动方式为输出转矩不变。

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用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，解决现有驱动方案的驱动电流随转速增加而降低的缺点，使步进电机在同转速下输出转矩保持不变，运行更平稳。

为达到以上目的，本发明提供一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据所驱动的步进电机的参数设定相匹配的电压补偿斜率k并且根据步进电机目标驱动电压(或者驱动电流)的需求设定电压指令的设定电压幅值A₀和初始转速ω₀，完成设定后启动(整个)驱动电路并且输入步进电机的实时转速ω，以使得电压补偿电路根据步进电机的实时转速获得补偿电压ΔV；

步骤S2：电压脉宽调制驱动电路将输入的电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV进行结合，以生成调制电压(V_i)并且作用于步进电机，从而使得调制电压的幅值在输入的电压指令的设定电压幅值的基础上随着步进电机的转速增加而增加，进而补偿步进电机的转速变化对步进电机的驱动电流的影响。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1中通过以下电压补偿公式对输入的电压指令的设定电压值进行补偿：

ΔV＝k*(ω-ω₀)；

其中，k为电压补偿斜率，ω为步进电机的实时转速，ω₀为电压指令的设定电压值对应的初始转速。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S2中通过以下公式获得调制电压的幅值：

A＝A₀+ΔV＝A₀+k*(ω-ω₀)；

其中，A₀为电压指令的设定电压幅值。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，补偿电压ΔV和步进电机的转速成一阶线性关系，并且步进电机的转速越快，补偿电压ΔV越高，通过设定相匹配的k和ω₀参数，以使得流过步进电机的线圈的驱动电流的幅值在一定转速范围内保持不变，进而抵消因转速变化对驱动电机的驱动电流的影响，驱动电流的幅值为：

其中，I₀为驱动电流的幅值，V₀为驱动电压的幅值(随着补偿电压ΔV变化，从而随着步进电机的转速变化)，R和L为线圈的(等效)电阻值和电感值。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步进电机的驱动电流稳定功能有效的最大转速ω_max由设定的电流I₀和驱动电路的最大调制电压A_max决定，以使得步进电机在0到最大转速ω_max之间加速和减速，进而驱动电压V₀随着加速和减速进行增大和减小，最终维持驱动电流不变。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在步骤S2中，电压脉宽调制驱动电路的驱动方式为：

电压脉宽调制驱动电路将输入的电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV进行结合，并且与三角波发生器产生的固定频率和固定幅度的三角波信号比较，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；

V_i为电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV结合形成的调制电压值，V_a为三角波的电压值，V_i大于0时，线圈正向导通，若V_i大于V_a，功率管Q1和功率管Q4导通，功率管Q2和功率管Q3关断,若V_i小于V_a，功率管Q2和功率管Q4导通，功率管Q1和功率管Q3关断；

V_i小于0时，线圈反向导通：若-V_i大于V_a，功率管Q2和功率管Q3导通，功率管Q1和功率管Q4关断,若-V_i小于V_a，功率管Q2和功率管Q4导通，功率管Q1和功率管Q3关断；

在线圈两端产生了与PWM信号对应的幅值为V_m的电压脉冲，由于PWM调制频率(远)大于步进电机的转速，且电机的线圈的驱动电流不会突变，该电压脉冲的驱动效果(可看做)相当于等值驱动电压Uab处理，等值驱动电压Uab与调制电压V_i成线性关系，当控制调制电压V_i呈正弦变化时，H桥功率电路输出的等值驱动电压Uab也成正弦变化，步进电机在等值驱动电压Uab驱动下平滑转动。

本发明的有益效果在于：

采用电压补偿电路后，输出驱动电压的幅值随转速增加而增加，抵消因转速变化对电机驱动电流的影响，使流过步进电机的线圈电流在一定转速范围内保持不变，电机输出转矩保持不变，转动更平稳、连贯。

附图说明

图1是本发明的种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法的驱动电路图。

图2是本发明的种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法的电压补偿电路图。

图3A是本发明的种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法的电压补偿斜率与驱动电流关系示意图。

图3B是本发明的种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法的驱动电压和驱动电流的变化波形图。

图4A是本发明的种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法的电压脉宽调制驱动电路图。

图4B是本发明的种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法的电压脉宽调制驱动示意图。

图4C是本发明的种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法的步进电机线圈的电压示意图。

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，本发明所涉及的步进电机和电压指令等可被视为现有技术。

优选实施例。

本发明公开了一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据所驱动的步进电机的参数设定相匹配的电压补偿斜率k并且根据步进电机目标驱动电压(或者驱动电流)的需求设定电压指令的设定电压幅值A₀和初始转速ω₀，完成设定后启动(整个)驱动电路并且输入步进电机的实时转速ω，以使得电压补偿电路根据步进电机的实时转速获得补偿电压ΔV；

步骤S2：电压脉宽调制驱动电路将输入的电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV进行结合，以生成调制电压(V_i)并且作用于步进电机，从而使得调制电压的幅值在输入的电压指令的设定电压幅值的基础上随着步进电机的转速增加而增加，进而补偿步进电机的转速变化对步进电机的驱动电流的影响。

具体的是，步骤S1中通过以下电压补偿公式对输入的电压指令的设定电压值进行补偿：

ΔV＝k*(ω-ω₀)；

其中，k为电压补偿斜率，ω为步进电机的实时转速，ω₀为电压指令的设定电压值对应的初始转速。

更具体的是，步骤S2中通过以下公式获得调制电压的幅值：

A＝A₀+ΔV＝A₀+k*(ω-ω₀)；

其中，A₀为电压指令的设定电压幅值。

进一步的是，补偿电压ΔV和步进电机的转速成一阶线性关系，并且步进电机的转速越快，补偿电压ΔV越高，通过设定相匹配的k和ω₀参数，以使得流过步进电机的线圈的驱动电流的幅值在一定转速范围内保持不变，进而抵消因转速变化对驱动电机的驱动电流的影响，驱动电流的幅值为：

其中，I₀为驱动电流的幅值，V₀为驱动电压的幅值(随着补偿电压ΔV变化，从而随着步进电机的转速变化)，R和L为线圈的(等效)电阻值和电感值。

更进一步的是，步进电机的驱动电流稳定功能有效的最大转速ω_max由设定的电流I₀和驱动电路的最大调制电压A_max决定，以使得步进电机在0到最大转速ω_max之间加速和减速，进而驱动电压V₀随着加速和减速进行增大和减小，最终维持驱动电流不变。

优选地，在步骤S2中，电压脉宽调制驱动电路的驱动方式为：

如图4A所示，电压脉宽调制驱动电路将输入的电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV进行结合，并且与三角波发生器产生的固定频率和固定幅度的三角波信号比较，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；

V_i为电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV结合形成的调制电压值，V_a为三角波的电压值，V_i大于0时，线圈正向导通，若V_i大于V_a，功率管Q1和功率管Q4导通，功率管Q2和功率管Q3关断,若V_i小于V_a，功率管Q2和功率管Q4导通，功率管Q1和功率管Q3关断；

V_i小于0时，线圈反向导通：若-V_i大于V_a，功率管Q2和功率管Q3导通，功率管Q1和功率管Q4关断,若-V_i小于V_a，功率管Q2和功率管Q4导通，功率管Q1和功率管Q3关断；

在线圈两端产生了与PWM信号对应的幅值为V_m的电压脉冲，由于PWM调制频率(远)大于步进电机的转速，且电机的线圈的驱动电流不会突变，该电压脉冲的驱动效果(可看做)相当于等值驱动电压Uab处理，等值驱动电压Uab与调制电压V_i成线性关系，当控制调制电压V_i呈正弦变化时，H桥功率电路输出的等值驱动电压Uab也成正弦变化，步进电机在等值驱动电压Uab驱动下平滑转动(如图4B所示)。

优选地，本发明在传统电压脉宽调制驱动电路结构的基础上增加了电压补偿电路，调制电压的幅值不再只由电压指令单独设定，而是在电压指令设定的基础上随转速增加而增加，补偿方案如下公式V_i＝A*sin(ωt)；……A＝A₀+k*(ω-ω₀)；

A₀为电压指令设定的电压幅值，k*(ω-ω₀)为补偿电压幅值，k为电压补偿斜率，ω为电机转速，ω₀为电压指令设定电压对应的转速。

补偿电压和电机转速成一阶线性关系，电机转速越快，补偿电压越高，通过设定合适的参数(k、ω₀)，可以使流过步进电机线圈的电流幅值(如图4C所示)在一定转速范围内保持不变，抵消因转速变化对电机驱动电流的影响。

对于不同的步进电机，调整对应的参数(k、ω₀)，也可使流过步进电机线圈的电流幅值在一定转速范围内保持不变。

优选地，本发明的原理为：

电压补偿电路是本发明的主要构成电路，如图2所示。电压补偿模块实质是一个转速相关的电压运算电路，电压补偿公式为：ΔV＝k*(ω-ω₀)，输入调制电压幅值为A＝A₀+ΔV＝A₀+k*(ω-ω₀)，其中A₀为电压指令设定的电压幅值，ω为电机实时转速，ω₀为电压指令设定电压对应的初始转速，k为电压补偿斜率。

首先，根据电路所驱动的步进电机参数设定合适的电压补偿斜率k，其次根据步进电机目标驱动电压(驱动电流)需求设定调制电压幅值A₀和初始转速ω₀。最后启动驱动电路，输入步进电机实时转速ω，电压补偿电路根据步进电机实时转速运算出补偿电压ΔV，并通过电压脉宽调制驱动电路作用在步进电机上，补偿电机转速变化对电机驱动电流的影响。在实际应用中，电压补偿斜率k的设置需要结合步进电机驱动电流实测结果多次调整得到。过大的电压补偿斜率k设置，会导致步进电机驱动电流随转速增加而增加；而过小的电压补偿斜率k设置，又会导致步进电机驱动电流随转速增加而减小；只有设置合适的电压补偿斜率k，步进电机驱动电流在一定转速范围内保持不变(如图3A所示)。由于具体驱动电路有最大驱动电压限制，输入调制电压幅值A随转速补偿在到达最大值A_max后保持不变，此时再增加电机转速，会导致驱动电流下降。本发明方案电机驱动电流稳定功能有效的最大转速ω_max由设定的电流I₀和电路最大调制电压A_max决定。采用本技术方案驱动的步进电机驱动电压和驱动电流变化波形如图3B所示，步进电机在有效转速范围内(0～ω_max)加速减速，驱动电压随着加速减速而增大减小，维持驱动电流不变，电机输出力矩不变，转动更平稳、连贯。

值得一提的是，本发明专利申请涉及的步进电机和电压指令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 (5)

1.一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，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相匹配的电压补偿斜率k并且根据步进电机目标驱动电压的需求设定电压指令的设定电压幅值A₀和初始转速ω₀，完成设定后启动驱动电路并且输入步进电机的实时转速ω，以使得电压补偿电路根据步进电机的实时转速获得补偿电压ΔV；

步骤S2：电压脉宽调制驱动电路将输入的电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV进行结合，以生成调制电压并且作用于步进电机，从而使得调制电压的幅值在输入的电压指令的设定电压幅值的基础上随着步进电机的转速增加而增加，进而补偿步进电机的转速变化对步进电机的驱动电流的影响；

步骤S1中通过以下电压补偿公式对输入的电压指令的设定电压值进行补偿：

ΔV＝k*(ω-ω₀)；

其中，k为电压补偿斜率，ω为步进电机的实时转速，ω₀为电压指令的设定电压值对应的初始转速。

2.根据权利要求1所述的一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，步骤S2中通过以下公式获得调制电压的幅值：

A＝A₀+ΔV＝A₀+k*(ω-ω₀)；

其中，A₀为电压指令的设定电压幅值。

3.根据权利要求2所述的一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，补偿电压ΔV和步进电机的转速成一阶线性关系，并且步进电机的转速越快，补偿电压ΔV越高，通过设定相匹配的k和ω₀参数，以使得流过步进电机的线圈的驱动电流的幅值在一定转速范围内保持不变，进而抵消因转速变化对驱动电机的驱动电流的影响，驱动电流的幅值为：

其中，I₀为驱动电流的幅值，V₀为驱动电压的幅值，R和L为线圈的电阻值和电感值。

4.根据权利要求3所述的一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，步进电机的驱动电流稳定功能有效的最大转速ω_max由设定的电流I₀和驱动电路的最大调制电压A_max决定，以使得步进电机在0到最大转速ω_max之间加速和减速，进而驱动电压V₀随着加速和减速进行增大和减小，最终维持驱动电流不变。

5.根据权利要求4所述的一种用于步进电机的带转速补偿的脉宽调制驱动方法，在步骤S2中，电压脉宽调制驱动电路的驱动方式为：

电压脉宽调制驱动电路将输入的电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV进行结合，并且与三角波发生器产生的固定频率和固定幅度的三角波信号比较，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；

V_i为电压指令的设定电压幅值和补偿电压ΔV结合形成的调制电压值，V_a为三角波的电压值，V_i大于0时，线圈正向导通，若V_i大于V_a，功率管Q1和功率管Q4导通，功率管Q2和功率管Q3关断,若V_i小于V_a，功率管Q2和功率管Q4导通，功率管Q1和功率管Q3关断；

V_i小于0时，线圈反向导通：若-V_i大于V_a，功率管Q2和功率管Q3导通，功率管Q1和功率管Q4关断,若-V_i小于V_a，功率管Q2和功率管Q4导通，功率管Q1和功率管Q3关断；

在线圈两端产生了与PWM信号对应的幅值为V_m的电压脉冲，由于PWM调制频率大于步进电机的转速，且电机的线圈的驱动电流不会突变，该电压脉冲的驱动效果相当于等值驱动电压Uab处理，等值驱动电压Uab与调制电压V_i成线性关系，当控制调制电压V_i呈正弦变化时，H桥功率电路输出的等值驱动电压Uab也成正弦变化，步进电机在等值驱动电压Uab驱动下平滑转动；

功率管Q1为H桥功率电路的左侧桥臂上管，功率管Q2为H桥功率电路的左侧桥臂下管，功率管Q3为H桥功率电路的右侧桥臂上管，功率管Q4为H桥功率电路的右侧桥臂下管。