CN115940709A - 一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统及控制方法，所述控制系统包括：细分驱动模块、比较器、驱动模块和反馈模块，所述细分驱动模块，用于生成两路正弦细分驱动波形；所述比较器，用于将所述两路正弦细分驱动波形分别与对应的采样信号进行比较，得到两路PWM信号；所述驱动模块，用于生成采样信号，并通过所述PWM信号对两相混合式步进电机进行细分驱动；所述反馈模块，用于将所述采样信号反馈至比较器。本发明通过利用基于细分驱动控制技术结合PWM反馈电路和逻辑控制电路，提供一种智能驱动控制系统及控制方法，能够克服当前步进电机存在的步距角过大和高速启动时容易失步的问题，且电路结构不复杂，没有过多冗余电路。

Description

一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动控制领域，特别是涉及一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统及控制方法。

背景技术

随着现代工业技术的发展与进步，步进电机作为一种高精度的执行元件，广泛应用于各种自动化控制系统中，尤其是工业设备领域。其中，混合式步进电机兼有永磁式和反应式步进电机的优点，具有结构简单、运行平稳、噪音低、精度高等优点，得到广泛应用。

对于混合式步进电机在传统的整步及半步驱动方式下工作时存在许多缺点，一方面由于步进电机输出转矩随速度变化的特性，步进电机在高速启动时可能会发生失步现象；另一方面步进电机由于受到自身制造工艺的限制，步进电机的步距角一般较大并且是固定的，造成步进电机分辨率低、缺乏灵活性、在低频运行时振动，噪音比其他微电机都高，使物理装置容易疲劳或损坏。具体表现为工作噪声大、振动大、控制精度低、故障率高等，不能满足许多控制领域的技术要求。

中国专利(CN207588746U)公开了一种步进电机细分控制电路，该电路通过控制器发出细分信号经DAC转换器产生比较参考电压VAref，控制器产生时钟信号CLOCK输出至比较斩波电路；比较斩波电路采集步进电机电流信号与参考电压VAref比较后产生斩波信号A_SHUT；环形分配器在控制器作用下产生电机换相信号DIRA；控制器产生续流方式信号DecayA输出至PWM合成电路；PWM合成电路将斩波信号A_SHUT、续流方式信号DecayA、电机换相信号DIRA合成后产生驱动信号发送给预驱动电路；功率驱动电路在预驱动电路驱动下驱动步进电机运行。但是其电路不够简洁，结构相对复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统及控制方法，所述控制系统基于单片机电路，对步进电机原有步距脚进行细分，通过对绕组电流阶梯性的加或减，达到细分的目的，实现步进电机平稳运行。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，所述控制系统由细分驱动模块、比较器、驱动模块和反馈模块组成，其中：

所述细分驱动模块，用于生成两路正弦细分驱动波形；

所述比较器，用于将所述两路正弦细分驱动波形分别与对应的采样信号进行比较，得到两路PWM信号；

所述驱动模块，用于生成采样信号，并通过所述PWM信号对两相混合式步进电机进行细分驱动；

所述反馈模块，用于将所述采样信号反馈至比较器。

在一种可能的实现方式中，所述细分驱动模块包括控制器、DAC和L297，所述控制器通过串行接口与DAC连接，所述DAC通过双缓冲方式接口与L297连接。

在一种可能的实现方式中，所述控制器为单片机，用于两路生成阶梯电流波形；所述DAC为DAC7612，用于同步生成两路阶梯正弦波控制信号；所述L297用于生成两个正弦细分驱动波形。

在一种可能的实现方式中，所述两路阶梯正弦波控制信号的相位差为π/2。

在一种可能的实现方式中，所述控制器向所述驱动模块输出两路换向信号DIR-A和DIR-B，分别控制所述电机两个绕组中电流的方向。

在一种可能的实现方式中，所述控制器还连接有按键、运行指示模块，用户能够通过所述按键设置控制系统的运行状态，并通过运行指示模块将对应的运行状态显示出来。

在一种可能的实现方式中，所述控制器还连接有通讯接口，通过所述通讯接口能够实现上位机与控制系统之间的通信，以将所述控制系统作为一个独立的模块来使用，所述上位机通过通讯接口传送指令，所述控制系统执行上位机的指令。

第二方面，本发明提供了一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统的控制方法，所述方法包括：

所述细分驱动模块生成两路正弦细分驱动波形，并将所述两路正弦细分驱动波形输入至比较器；

所述驱动模块生成两路采样波形，并将两路采样波形反馈至比较器；

所述比较器将所述两路正弦细分驱动波形分别与对应的采样波形进行比较，得到两路PWM信号；

所述两路PWM信号通过驱动模块对电机进行细分控制。

在一种可能的实现方式中，所述控制器生成两路阶梯电流波形；所述DAC对所述两路阶梯电流波形分别进行数模转换，将所述两路阶梯电流波形转换为模拟信号，得到两路阶梯正弦波控制信号；所述L297将所述两路阶梯正弦波控制信号变换为两路正弦细分驱动波形。

在一种可能的实现方式中，所述两个驱动模块生成两路采样波形，具体为：所述驱动模块对所述阶梯电流波形进行采样，将采样波形通过所述反馈模块并经反馈模块中的放大电路放大后反馈至比较器。

本发明主要是通过控制步进电机的励磁绕组中的电流,从而来调整步进电机步距角的大小，也就是将原来电机运转走过的一个完整的步距角细分成若干步走完，把常规的矩形波供电改变成了阶梯波供电，从而提高了步进电机的定位精度。这样就实现了通过提高步进电机的分辨率，来抑制电机运转起步时候的失步问题，增加其运转稳定性。主要思想是由控制器向串行接口的双通道DAC发出控制信号，在DAC的输出端产生两路相位差为π/2的阶梯正弦电流控制信号，再用这两路电流控制信号控制集成驱动器，在两相混合式步进电机的两相绕组中产生相位差为π/2的驱动电流信号，使得步进电机在细分驱动模式下运行。与传统的步进电机细分驱动控制系统相比，本发明实现了以下技术效果：

(1)本发明利用基于细分驱动控制技术结合PWM反馈电路和逻辑控制电路，提供一种智能驱动控制方法，能够克服当前步进电机存在的步距角过大和高速启动时容易失步的问题，且电路结构不复杂，没有过多冗余电路，减轻了电路设计的负担。

(2)本发明以单片机作为控制模块，采用细分驱动的原理，设计并实现了步进电机的细分驱动器，为解决相关的问题提出了可行的途径。

(3)本发明中驱动模块利用比较器得到一个脉宽变化的PWM信号，利用所述PWM信号作为所述H桥的驱动信号，从而达到开关H桥MOSFET的目的，使得当电流变小时电路导通，当电流变大时电路关断，从而实现了对绕组上电流的控制，并进一步防止逆变桥中的两个功率器件同时导通，发生电源直通而短路的危险。

(4)本发明中的控制器通过两路换向信号控制电机绕组中电流的方向，实现对步进电机A相绕组和B相绕组上的电流大小与方向的控制，达到电机细分驱动的目的。

(5)本发明中由控制器(单片机)输出的阶梯电流，经DAC转换后送到L297，不仅能够更改驱动电流细分数，还能够实现电流的最高256细分。

(6)本发明中设置有反馈模块，反馈模块一方面用于比较两路信号，产生脉宽变化的PWM信号，PWM信号经过自举电路作为驱动信号，自举电路可以减少驱动器件的开关时间，进而降低开关损耗；另外一方面反馈电路中设置有放大电路，H桥利用采样电阻采样到的电压经过放大电路放大,提高了带负载能力，使本发明中的控制系统能够驱动大电压、大电流的步进电机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例提供的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统的结构框图；

图2是本发明实施例中控制模块产生的阶梯电流波形图；

图3是本发明实施例中经细分后的步进电机电流波形；

图4是根据本发明实施例提供的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统的电路图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例一

本发明实施例提供了一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，具体请参阅图1所示的根据本发明实施例提供的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统的结构框图。所述控制系统包括细分驱动模块、2个比较器、2个反馈模块和2个驱动模块。

所述细分驱动模块的两个输出端分别连接于两个比较器的输入端，两个比较器的另一输入端分别连接于两个反馈模块的输出端，两个反馈模块的输入端分别连接于两个驱动模块的输出端，两个驱动模块的另一输出端分别连接至两相步进电机的两个输入端，两个驱动模块的一个输入端分别连接于两个比较器的输出端，两个驱动模块的另一输入端分别连接于细分驱动模块的另两个输出端。

所述细分驱动模块，用于生成两路正弦细分驱动波形。

进一步，所述细分驱动模块，包括控制器、DAC(数模转换器)和L297。

优选的，所述控制器为单片机，用于两路生成阶梯电流波形。

优选的，所述DAC为DAC7612，其与控制器通过串行接口连接。这是由于步进电机的两相绕组中的电流要同时按照正弦规律变化，且相位差为π/2，因此，DAC需要同步生成两路阶梯正弦波控制信号，DAC7612芯片具有两个DAC通道。

优选的，所述两路阶梯正弦波控制信号的相位差为π/2。

优选的，所述L297包括一组译码器和两个控制相绕组电流的PWM斩波器，所述译码器用于产生各种所需的相序，所述PWM斩波器用于获得良好的矩频特性。L297只需要时钟、方向和模式输入信号，相位由内部产生，可减轻微处理器的负担和程序设计量。

所述控制器通过串行接口与DAC相连接，所述DAC通过双缓冲方式接口连接有两片L297。工作时，所述控制器产生与L297相序一致的细分参考电压，输出相应的两组数值经DAC的数模转换后，得到阶梯正弦波控制信号(即阶梯电流波形)，把同步输出的两组阶梯正弦波控制信号分别送给两片L297，两片L297分别产生细分控制两个回路需要的正弦细分驱动波形(即细分驱动逻辑信号)，每一片所述L297的输出端分别与一个比较器的输入端相连接。

在本实施例中，所述控制器产生如图2所示的阶梯电流波形，然后经过DAC数模转换，转换为模拟信号，模拟信号再经L297处理后，产生正弦细分驱动波形，正弦细分驱动波形的电流阶梯性的加或减少，步进电机绕组上将产生阶梯性上升或减小的电流波形，而不再是原来的方波。本实施例中以四细分为例，将电流波形按照四个步的增加和减少，也就是把原来的一步变成现在的四步，在方波电流下步进电机需要走四步能完成的，在双四拍情况下，步进电机需要走16步才能完成一个循环。四细分下，步进电机A相与B相绕组的电流波形如图3所示。

所述驱动模块包括自举电路和H桥。所述自举电路的输入信号即为所述细分驱动模块输出的正弦细分驱动波形。所述H桥对所述阶梯正弦波控制信号进行采样，将采样波形通过所述反馈模块并经反馈模块中的放大电路放大后反馈至比较器，所述比较器对所述正弦细分驱动波形与采样波形进行比较，得到一个脉宽变化的PWM信号，所述PWM信号经过自举电路处理后，作为所述H桥的驱动信号，从而达到开关H桥MOSFET的目的，这样的结果是当电流变小时电路导通，当电流变大时电路关断，从而实现了对电机绕组上电流的控制。而且，还防止了H桥中的两个功率器件(MOSFET)同时导通，发生电源直通而短路的危险。

进一步，所述控制器向两组所述驱动模块分别输出两路换向信号DIR-A和DIR-B，控制电机两个绕组中电流的方向，即控制了步进电机A相绕组和B相绕组上的电流大小与方向，达到电机细分驱动的目的。

进一步，所述控制器还连接有按键、运行指示模块，用户可以通过所述按键设置所述控制系统的运行状态，并通过运行指示模块将对应的运行状态显示出来。

优选的，所述按键为键盘。

进一步，所述控制器还连接有通讯接口，通过所述通讯接口可以实现上位机与所述控制系统之间的通信，以将所述控制系统作为一个独立的模块来使用，所述上位机通过通讯接口传送指令，所述控制系统执行上位机的指令，所述上位机也能够通过通讯接口读取电机的运行状态，通过这种方式能够方便的应用所述控制系统构成各种高精度的运行控制系统，整体电路设计图如图4所示。

优选的，所述通讯接口电路为串行通讯接口。

本实施例是由控制器向串行接口的双通道D/A转换器(DAC)发出控制信号，在DAC数模转换器的输出端产生两路相位差为π/2的阶梯正弦波控制信号，再用这两路阶梯正弦波控制信号控制驱动模块，在两相混合式步进电机的两相绕组中产生相位差为π/2的驱动电流信号，控制步进电机在细分驱动模式下运行。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例进一步提出一种两相混合式步进电机细分驱动控制方法，所述控制方法主要包括以下步骤：

所述细分驱动模块生成两路正弦细分驱动波形，并将所述两路正弦细分驱动波形输入至所述比较器；

所述两个驱动模块生成两路采样波形，并分别将两路采样波形反馈至对应的比较器；

所述比较器分别将所述两路正弦细分驱动波形与对应的采样波形进行比较，得到两路PWM信号；

所述两路PWM信号通过两个驱动模块对电机进行细分控制。

进一步，所述细分驱动模块生成两路正弦细分驱动波形，具体为：

所述控制器生成两路阶梯电流波形；

所述DAC对所述两路阶梯电流波形分别进行数模转换，将所述两路阶梯电流波形转换为模拟信号，得到两路阶梯正弦波控制信号；

两个所述L297分别将所述两路阶梯正弦波控制信号变换为两路正弦细分驱动波形。

进一步，所述两个驱动模块生成两路采样波形，具体为：所述驱动模块对所述阶梯电流波形进行采样，将采样波形通过所述反馈模块并经反馈模块中的放大电路放大后反馈至比较器。

进一步，所述两路PWM信号通过两个驱动模块对电机进行细分控制，具体为：所述两路PWM信号分别经过对应的自举电路处理后，作为所述H桥的驱动信号，对H桥MOSFET开关进行控制，当电流变小时电路导通，当电流变大时电路关断，实现对电机两个绕组上电流的控制，实现对两相混合式步进电机的细分驱动控制。

本领域普通技术人员可以意识到，本文中公开的实施例中描述的各单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：细分驱动模块、比较器、驱动模块和反馈模块，其中：

所述细分驱动模块，用于生成两路正弦细分驱动波形；

所述比较器，用于将所述两路正弦细分驱动波形分别与对应的采样信号进行比较，得到两路PWM信号；

所述驱动模块，用于生成采样信号，并通过所述PWM信号对两相混合式步进电机进行细分驱动；

所述反馈模块，用于将所述采样信号反馈至比较器。

2.根据权利要求1所述的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，其特征在于，所述细分驱动模块包括控制器、DAC和L297，所述控制器通过串行接口与DAC连接，所述DAC通过双缓冲方式接口与L297连接。

3.根据权利要求2所述的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，其特征在于，所述控制器为单片机，用于两路生成阶梯电流波形；所述DAC为DAC7612，用于同步生成两路阶梯正弦波控制信号；所述L297用于生成两个正弦细分驱动波形。

4.根据权利要求3所述的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，其特征在于，所述两路阶梯正弦波控制信号的相位差为π/2。

5.根据权利要求1所述的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，其特征在于，所述控制器向所述驱动模块输出两路换向信号DIR-A和DIR-B，分别控制所述电机两个绕组中电流的方向。

6.根据权利要求1所述的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，其特征在于，所述控制器还连接有按键、运行指示模块，用户能够通过所述按键设置控制系统的运行状态，并通过运行指示模块将对应的运行状态显示出来。

7.根据权利要求1所述的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统，其特征在于，所述控制器还连接有通讯接口，通过所述通讯接口能够实现上位机与控制系统之间的通信，以将所述控制系统作为一个独立的模块来使用，所述上位机通过通讯接口传送指令，所述控制系统执行上位机的指令。

8.基于权利要求1-7任一项所述的一种两相混合式步进电机细分驱动控制系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

所述细分驱动模块生成两路正弦细分驱动波形，并将所述两路正弦细分驱动波形输入至比较器；

所述驱动模块生成两路采样波形，并将两路采样波形反馈至比较器；

所述比较器将所述两路正弦细分驱动波形分别与对应的采样波形进行比较，得到两路PWM信号；

所述两路PWM信号通过驱动模块对电机进行细分控制。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述细分驱动模块生成两路正弦细分驱动波形，具体为：所述控制器生成两路阶梯电流波形；所述DAC对所述两路阶梯电流波形分别进行数模转换，将所述两路阶梯电流波形转换为模拟信号，得到两路阶梯正弦波控制信号；所述L297将所述两路阶梯正弦波控制信号变换为两路正弦细分驱动波形。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述两个驱动模块生成两路采样波形，具体为：所述驱动模块对所述阶梯电流波形进行采样，将采样波形通过所述反馈模块并经反馈模块中的放大电路放大后反馈至比较器。

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