CN116633214B - 一种用于步进电机系统的微步驱动电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于步进电机系统的微步驱动电路和方法，微步驱动电路包括等分移相信号产生电路、解码模块、阶梯参考电压产生电路和脉宽调制信号产生模块。微步驱动方法包括利用等分移相信号产生电路根据电机控制信号产生等分移相信号，N路等分移相信号经由解码模块处理后生成驱动电压信号，N路驱动电压信号控制阶梯参考电压产生电路形成正弦基准电压信号，脉宽调制信号产生模块再根据正弦基准电压信号生成用于控制H桥内开关管导通和关断时间的电机驱动信号。采用本发明的电路和方法，只需要输入50%占空比的控制信号就能实现微步驱动控制，不需要额外的调整占空比，对MCU的算力要求低，降低了外围电路的复杂度，节约电路成本。

Description

一种用于步进电机系统的微步驱动电路和方法

技术领域

本发明涉及步进电机控制技术领域，具体而言，涉及一种用于步进电机系统的微步驱动电路和方法。

背景技术

步进电机驱动广泛的应用于我们生活中，例如工业控制，人工智能和智能家居用品等。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。作为一种控制用的特种电机，步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器），通过专用的步进电机驱动电源芯片，来控制步进电机实现步进方式转动。

常见的电机驱动芯片一般包括有内部电源启动模块，提供栅极驱动电压的电荷泵模块，对输入逻辑控制信号进行处理的控制逻辑模块和功率级模块。通常，步进电机驱动芯片一般包含两组H桥电路，通过栅极驱动电路对外接控制信号进行处理后控制不同H桥的上下管进行开合就能实现对步进电机的步进驱动。

步进电机具有多种驱动方式，其中步进电机的微步驱动是通过调整输入控制信号的占空比实现对电机线圈电流的精确控制，从而实现对步进电机步进角度的精确控制。这种驱动方式具有可以控制微小角度位置以及可以降低步进电机在低速时的振动和噪声的优点。

在当前市场上主流的步进电机微步驱动实现方案中，一般是由外置处理器（例如微处理器MCU）模块产生占空比变化的输入控制信号，用于控制H桥电路中的功率开关的导通和关断时间，进而控制步进电机步进角度。由于需要产生如此复杂的输入控制信号，这就要求MCU具有一定的算力，如果要实现更精细的微步驱动，则需要更强大的MCU模块，这就增加外围电路的复杂度和用户的使用成本。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在采用通过调整输入控制信号占空比的方式控制步进电机步进角度需要十分精细的控制，复杂度较高，提高了对外围电路的要求，提升了使用成本的技术问题。

为此，本发明提供了一种步进电机微步驱动电路，包括：等分移相信号产生电路、解码模块、阶梯参考电压产生电路和脉宽调制信号产生模块。

其中，等分移相信号产生电路接收电机控制信号和第一时钟信号，并根据电机控制信号和第一时钟信号产生N路等分移相信号，其中，所述电机控制信号的占空比为50%，N为大于等于2的整数，每路等分移相信号的周期等于电机控制信号周期的四分之一，每路等分移相信号的有效状态的占空比等于1/N，每路等分移相信号之间依次交错360°/N。

解码模块接收N路等分移相信号，并对N路等分移相信号进行隔周期镜像复制从而生成N路驱动电压信号。

阶梯参考电压产生电路接收N路驱动电压信号和固定参考电压，并根据N路驱动电压信号和固定参考电压产生正弦基准电压信号，其中，正弦基准电压信号包括N个不同的电压值，每路驱动电压信号对应产生正弦基准电压信号N个不同的电压值中的一个，正弦基准电压信号的值和sinθ相关，其中，0°＜θ≤90°。

脉宽调制信号产生模块接收电机控制信号、正弦基准电压信号、电流采样信号和第二时钟信号，并根据电机控制信号、正弦基准电压信号、电流采样信号和第二时钟信号产生电机驱动信号，所述电流采样信号表征流过电机线圈的电流，所述电机驱动信号用于控制所述步进电机系统中H桥中开关管的导通和关断时间。

根据本发明上述技术方案的一种步进电机微步驱动电路，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，所述正弦基准电压信号的值等于k×sinθ，其中，k等于固定参考电压的值，。

在上述技术方案中，所述等分移相信号产生电路包括：周期选择电路、周期计数电路和周期分步电路。周期选择电路接收电机控制信号，并在电机控制信号的每四分之一周期时刻产生一个脉冲，进而生成周期选择信号；周期计数电路接收周期选择信号和第一时钟信号，并在周期选择信号的每个周期内对第一时钟信号进行周期计数从而生成周期计数信号，其中，周期计数信号代表周期选择信号的每个周期内第一时钟信号的周期数量；周期分步电路用于在周期选择信号的每个周期内对周期计数信号进行N等分，从而生成N路等分移相信号。

在上述技术方案中，所述电机控制信号包括第一电机控制信号和第二电机控制信号，所述第二电机控制信号和所述第一电机控制信号相同但相位相差90°，所述周期选择电路接收第一电机控制信号和第二电机控制信号，并在第一电机控制信号的每个边沿时刻和第二电机控制信号的每个边沿时刻产生一个脉冲，进而生成周期选择信号。

在上述技术方案中，所述阶梯参考电压产生电路包括：N个阻性元件和N个电子开关。N个阻性元件依次串联在固定参考电压和参考地之间；N个电子开关与N个阻性元件和N路驱动电压信号均一一对应，每个电子开关具有第一端、第二端和控制端，所述每个电子开关的第一端依次与对应的阻性元件的一端耦接，所述每个电子开关的第二端均作为阶梯参考电压产生电路的输出端，所述每个电子开关的控制端接收对应的驱动电压信号，所述驱动电压信号用于控制该电子开关第一端和第二端的断开或连接。

在上述技术方案中，所述电机驱动信号包括第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号。

所述脉宽调制信号产生模块包括：比较单元和逻辑控制电路。比较单元具有第一端、第二端和输出端，所述比较单元的第一端接收正弦基准电压信号，所述比较单元的第二端接收电流采样信号，所述比较单元将正弦基准电压信号与电流采样信号比较并在输出端输出比较信号；逻辑控制电路接收比较信号、电机控制信号和第二时钟信号，并根据比较信号、电机控制信号和第二时钟信号产生第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号，其中，第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号分别用于控制H桥电路中四个开关管的导通和关断时间。

在上述技术方案中，所述H桥电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第三开关管串联耦接在输入电压端和参考地之间，第二开关管和第四开关管串联耦接在输入电压端和参考地之间，电机线圈耦接在第一开关管和第三开关管的公共节点和第二开关管和第四开关管的公共节点之间，所述第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号分别用于控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管。

所述逻辑控制电路包括：RS触发器、第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关。其中，RS触发器具有复位端、置位端、第一输出端和第二输出端，RS触发器的复位端接收比较信号，RS触发器的置位端接收第二时钟信号，RS触发器将比较信号和第二时钟信号做逻辑运算，并在第一输出端输出第一控制信号，在第二输出端输出第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号为逻辑互补信号。第一单刀双掷开关包括输入端、控制端、第一输出端和第二输出端，第一单刀双掷开关输入端接收第一控制信号，第一单刀双掷开关的控制端接收电机控制信号，当电机控制信号为第一逻辑状态时，第一单刀双掷开关的输入端与其第一输出端连接，第一控制信号作为第一电机驱动信号和第四电机驱动信号，当电机控制信号为第二逻辑状态时，第一单刀双掷开关的输入端与其第二输出端连接，第一控制信号作为第二电机驱动信号和第三电机驱动信号。第二单刀双掷开关包括输入端、控制端、第一输出端和第二输出端，第二单刀双掷开关输入端接收第二控制信号，第二单刀双掷开关的控制端接收电机控制信号，当电机控制信号为第一逻辑状态时，第二单刀双掷开关的输入端与其第一输出端连接，第二控制信号作为第二电机驱动信号和第三电机驱动信号；当电机控制信号为第二逻辑状态时，第二单刀双掷开关的输入端与其第二输出端连接，第二控制信号作为第一电机驱动信号和第四电机驱动信号。

在上述技术方案中，所述第一时钟信号的频率至少是周期选择信号的频率的N倍，所述第二时钟信号的频率至少是周期选择信号的频率的N倍。

本发明还公开了一种用于步进电机系统的微步驱动方法，包括以下步骤：

步骤一：在电机控制信号每四分之一个周期内，对第一时钟信号进行周期计数并等分以产生N路等分移相信号，其中，所述电机控制信号的占空比为50%，N为大于等于2的整数，每路等分移相信号的周期等于电机控制信号周期的四分之一，每路等分移相信号的有效状态的占空比等于1/N，每路等分移相信号之间依次交错360°/N。

步骤二：对N路等分移相信号进行隔周期镜像复制并生成N路驱动电压信号。

步骤三：根据N路驱动电压信号和固定参考电压产生正弦基准电压信号，其中，正弦基准电压信号包括N个不同的电压值，每路驱动电压信号对应产生正弦基准电压信号N个不同的电压值中的一个，正弦基准电压信号的值和sinθ相关，其中，0°＜θ≤90°。

步骤四：根据电机控制信号、正弦基准电压信号、电流采样信号和第二时钟信号产生电机驱动信号，所述电流采样信号表征流过电机线圈的电流，所述电机驱动信号用于控制所述步进电机系统中H桥中开关管的导通和关断时间。

在上述技术方案中，所述步骤四进一步包括：

将正弦基准电压信号与电流采样信号比较产生比较信号。以及将比较信号、电机控制信号和第二时钟信号做逻辑运算，产生第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号分别用于控制H桥电路中四个开关管的导通和关断时间。

综上所述，由于采用了上述技术特征，本发明的有益效果是：

采用本发明提出的步进电机微步驱动电路对步进电机进行微步驱动时，只需要输入正常50%占空比的控制信号，不需要额外的调整占空比，就能实现微步驱动控制，电路结构简单，具有良好稳定的控制能力，对MCU的算力能力要求低，降低了外围电路的复杂度，节约了步进电机控制电路的组建成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1所示为根据本发明一个实施例的步进电机系统的电路示意框图；

图2所示为根据本发明一个实施例的图1中微步驱动电路的电路原理图；

图3所示为根据本发明一个实施例的图2中微步驱动电路中部分参数的波形示意图；

图4所示为根据本发明一个实施例的图2中微步驱动电压信号相关的波形示意图；

图5所示为根据本发明一个实施例中电机驱动信号相关的波形示意图；

图6所示为根据本发明一个实施例的逻辑控制电路的电路原理图；

图7所示为根据本发明一个实施例的一种步进电机微步驱动控制方法的流程示意图。

其中，图1至图7中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

10、等分移相信号产生电路；20、解码模块；30、阶梯参考电压产生电路；40、脉宽调制信号产生模块；

11、周期选择电路；12、周期计数电路；13、周期分步电路；

41、比较单元；42、逻辑控制电路；

421、RS触发器；422、第一单刀双掷开关；423、第二单刀双掷开关。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都是指同一实施例。动词“包括”和“具有”在本文中用作开放限制，其既不排除也不要求还存在未叙述特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。在整个文件中使用“一”或“一个”（即，单数形式）限定的元件，并不排除多个这个元件的可能。更进一步地，所描述的特征、结构或特点可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。除非另外指明，否则术语“连接”和术语“耦接”被用于指定可以是直接的或可以经由一个或多个其他元件的电路元件之间的电连接。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1示出了根据本发明一个实施例的步进电机系统的电路示意框图。如图1所示，采用微步驱动控制方式的步进电机的控制电路主要由微步驱动电路和至少一个H桥（开关管S1、S2、S3、S4）电路组成，本说明书以步进电机驱动芯片含有两组H桥电路为例进行说明，两组H桥电路之间相位相差90度，可以理解的是，本领域技术人员可在本说明书实施例的基础上，将H桥电路的数量扩展为三组、四组等，各组电桥之间的相位差可根据实际应用情况灵活设置。微步驱动电路接收电机控制信号PhaseA和PhaseB，并对电机控制信号PhaseA和PhaseB进行处理从而生成两组电机驱动信号，即CTL_A1、CTL_A2、CTL_A3、CTL_A4和CTL_B1、CTL_B2、CTL_B3、CTL_B4，其中，电机驱动信号CTL_A1、CTL_A2、CTL_A3和CTL_A4分别用于控制第一组H桥电路中的开关管S1、S2、S3和S4。电机驱动信号CTL_B1、CTL_B2、CTL_B3、CTL_B4用于控制第二组H桥电路（未示出）中的功率开关。

在图1所示实施例中，电机控制信号PhaseA和PhaseB不再是占空比可变的脉宽调制信号，而是固定占空比50%、具有逻辑高低电平的方波信号。在一个实施例中，当电机控制信号PhaseA或PhaseB为逻辑高电平时，电机向一个方向流过电流Im（例如从节点OUT1流向节点OUT2）；当电机控制信号PhaseA或PhaseB为逻辑低电平时，流过电机的电流Im换向（例如从节点OUT2流向节点OUT1）。电机控制信号PhaseA和PhaseB可以由外部低算力（计算位数低）的MCU提供，也可以由外部信号发生器直接产生。

图1也示出了第一组H桥电路的电路结构，第一组H桥电路包括开关管S1、S2、S3和S4，步进电机的线圈在图1中被示意为电感，流过电流Im，电流方向可从节点OUT1流向节点OUT2，也可从节点OUT2流向节点OUT1。开关管S1、S2、S3和S4的栅极分别接入电机驱动信号CTL_A1、CTL_A2、CTL_A3、CTL_A4。在一个具体实施例中，当CTL_A1和CTL_A4控制S1和S4导通，CTL_A2和CTL_A3控制S2和S3关闭时，电流由电源VIN通过S1流过电机再流到S4；当CTL_A2和CTL_A3控制S2和S3导通，CTL_A1和CTL_A4控制S1和S4关闭时，电流由电源VIN通过S2流过电机线圈再流到S3，流过电机线圈的电流反向。H桥电路还设置有感应电阻Rsense，感应电阻Rsense的一端耦接于开关管S3和S4的公共端，感应电阻Rsense的另一端接参考地，感应电阻Rsense用于获取流过电机线圈的电流Im，并产生代表电流Im的电流采样信号Isense。

虽然图1中未示出，本领域的一般技术人员可以理解，第二组H桥电路和第一组H桥电路的电路结构相同，也是连接在电机线圈的两端（OUT1和OUT2）。通过电机驱动信号CTL_B1、CTL_B2、CTL_B3、CTL_B4分别控制第二组H桥电路内开关管的通断从而实现对电机的控制。可以理解的是，用于控制第二组H桥电路的电机驱动信号CTL_B1、CTL_B2、CTL_B3、CTL_B4既可以由CTL_A1、CTL_A2、CTL_A3、CTL_A4直接移相得到，也可以另外搭建一个和图1实施例中微步驱动电路相同的另一个微步驱动电路产生，以下实施例以用于产生电机驱动信号CTL_A1、CTL_A2、CTL_A3、CTL_A4的微步驱动电路为例进行说明。

图2所示为根据本发明一个实施例的图1中微步驱动电路的电路原理图，如图2所示，微步驱动电路包括等分移相信号产生电路10、解码模块20、阶梯参考电压产生电路30和脉宽调制信号产生模块40。

在一个实施例中，等分移相信号产生电路10接收占空比为50%的电机控制信号（例如，包括PhaseA和PhaseB）和第一时钟信号CLK1，并根据电机控制信号和第一时钟信号CLK1产生N路等分移相信号Duty_div，其中，N为大于等于2的整数，电机控制信号为由外部低算力MCU或信号发生器直接产生，电机控制信号为固定占空比50%的方波信号。每路等分移相信号Duty_div的周期T1等于电机控制信号周期T0的四分之一，每路等分移相信号的有效状态的占空比为1/N，且在等分移相信号Duty_div每个周期中依次交错360°/N，例如，当N等于3时，第二路等分移相信号滞后第一路等分移相信号120°，第三路等分移相信号滞后第二路等分移相信号120°，其他实施例中不同的N的取值可依此推导。可以理解，等分移相信号为具有逻辑高低电平的方波信号，在一个实施例中，等分移相信号的有效状态即等分移相信号Duty_div的逻辑高电平状态。每路等分移相信号的有效状态的占空比是指每路等分移相信号在其每个周期中的有效状态时长和周期的比值。

在一个实施例中，等分移相信号产生电路10包括周期选择电路11、周期计数电路12和周期分步电路13。其中，周期选择电路11具有输入端和输出端，周期选择电路11的输入端接收电机控制信号，周期选择电路11用于根据电机控制信号生成周期选择信号Sig1。周期选择信号Sig1的周期和等分移相信号Duty_div的周期相同也为T1，其等于电机控制信号周期T0的四分之一。在一个实施例中，周期选择信号Sig1的周期T1为电流Im从其平均值上升到峰值之间的时长。在图2所示实施例中，周期选择电路11被示意为接收电机控制信号PhaseA和PhaseB，并根据电机控制信号PhaseA和PhaseB产生周期选择信号Sig1。在一个实施例中，周期选择信号Sig1包括一组脉冲信号，可通过在电机控制信号PhaseA和电机控制信号PhaseB的每个边沿时刻产生一个脉冲，进而产生周期选择信号Sig1。也即是：在电机控制信号PhaseA每个上升沿和下降沿以及电机控制信号PhaseB每个上升沿和下降沿的时刻产生脉冲进而产生由脉冲组成的周期选择信号Sig1。可以理解，在其他实施例中，周期选择电路11也可只接收一个电机控制信号，例如电机控制信号PhaseA，并根据电机控制信号PhaseA产生周期选择信号Sig1。在一个实施例中，可在电机控制信号PhaseA每1/4周期的时刻产生一个脉冲，进而产生周期选择信号Sig1。

周期计数电路12接收周期选择信号Sig1和第一时钟信号CLK1，并在周期选择信号Sig1的周期内对第一时钟信号CLK1进行周期计数从而生成周期计数信号Duty_count。在一个实施例中，周期计数信号Duty_count表示在周期选择信号Sig1的每个周期T1内第一时钟信号CLK1的周期数量，该周期数量用于表征周期选择信号Sig1的周期时长。在一个实施例中，周期计数信号Duty_count为一组二进制码。为保证周期计数信号Duty_count能够满足后续N等分要求，第一时钟信号CLK1的频率应该远大于周期选择信号Sig1的频率，且至少为周期选择信号的频率的N倍。在一个具体实施例中，CLK1的频率可选择为400K赫兹，周期选择信号Sig1可选择不超过10K赫兹。

周期分步电路13具有输入端和输出端，所述周期分步电路13的输入端与周期计数电路12的输出端耦接，所述周期分步电路13用于在周期选择信号Sig1的每个周期T1内对周期计数信号Duty_count进行N等分，从而生成N路等分移相信号。N的取值与后续生成的正弦基准电压的波形拟合度相关，N的取值越大，拟合度越高（即，更贴近正弦曲线），以下实施例中，以N等于8为例进行进一步的说明。在一些实施例中，周期分步电路13可以为数字除法器，周期分步电路将周期计数信号Duty_count除以8，得到8路等分移相信号Duty_div1,Duty_div2, …, Duty_div8。每路等分移相信号Duty_div的周期等于周期选择信号Sig1的周期T1，每路等分移相信号的有效状态（例如逻辑高状态）占空比为1/N，且依次交错360°/N。在一个实施例中，周期分步电路13还具有复位端接收周期选择信号Sig1，用于在周期选择信号Sig1的每个周期起始时刻对周期分步电路13进行复位，以在周期选择信号Sig1的每个新周期对周期计数信号Duty_count重新进行N等分。

解码模块20具有输入端和输出端，所述解码模块20的输入端与周期分步电路13的输出端耦接，解码模块20用于对周期选择信号Sig1每个周期内的N路等分移相信号Duty_div进行隔周期镜像复制从而生成N路驱动电压信号Ref_div。在本申请的一个实施例中，“隔周期镜像复制”是指：在一个周期中，驱动电压信号Ref_div是等分移相信号Duty_div的复制；在毗邻的下一个周期中，驱动电压信号Ref_div是等分移相信号Duty_div以周期起始或结束时刻为轴的镜像。在其他一些实施例中，“隔周期镜像复制”还可以指在一个周期中，驱动电压信号Ref_div是等分移相信号Duty_div以周期起始或结束时刻为轴的镜像；在毗邻的下一个周期中，驱动电压信号Ref_div是等分移相信号Duty_div的复制。因此，最终产生的N路驱动电压信号Ref_div是以周期起始或结束时刻为轴对称的波形。可以理解，在这里“以周期起始或结束时刻为轴”指上一个周期结束时刻，也即是下一个周期的开始时刻。如图3所示实施例，示意了一个以N=8的具体实施例波形图，在图3中，从上至下依次示意了电机线圈电流Im、电机控制信号PhaseA、电机控制信号PhaseB、周期选择信号Sig1、等分移相信号Duty_div1-Duty_div8以及驱动电压信号Ref_div1-Ref_div8的波形。如图3所示，驱动电压信号Ref_div1- Ref_div8与等分移相信号Duty_div1-Duty_div8依次一一对应。以Ref_div1和Duty_div1为例，在第一周期（t0-t1）内，驱动电压信号Ref_div1的波形和等分移相信号Duty_div1的波形是轴对称的，因此可看作是对等分移相信号Duty_div1的镜像；在毗邻的第二周期（t1-t2）内，驱动电压信号Ref_div1的波形与等分移相信号Duty_div1的波形相同，可看作是对等分移相信号Duty_div1的复制。其他驱动电压信号Ref_div2,…,Ref_div8与对应的等分移相信号Duty_div2,…, Duty_div8的对应关系与驱动电压信号Ref_div1和Duty_div1的对应关系相同，这里不再赘述。在一个实施例中，在需要镜像的周期内，可通过将对等分移相信号Duty_div倒序输出以产生其镜像的驱动电压信号Ref_div，例如，将Duty_div8作为对应周期内的Ref_div1，Duty_div7作为对应周期内的Ref_div2，Duty_div6作为 对应周期内的Ref_div3，Duty_div5作为对应周期内的Ref_div4，Duty_div4作为对应周期内的Ref_div5，Duty_div3作为对应周期内的Ref_div6，Duty_div2作为对应周期内的Ref_div7，Duty_div1作为对应周期内的Ref_div8即可实现对等分移相信号Duty_div镜像。此外，通过图3所示波形图也可看出，等分移相信号Duty_div1-Duty_div8的有效状态占空比为1/8，相位依次交错360°/8=45°，周期选择信号Sig1的周期T1为电机控制信号（PhaseA和PhaseB）周期T0的四分之一。

继续图2，阶梯参考电压产生电路30具有输入端和输出端，其输入端耦接解码模块20的输出端接收驱动电压信号Ref_div。阶梯参考电压产生电路30根据N路驱动电压信号Ref_div和一个固定参考电压Vref产生正弦基准电压信号SIN_ref，其中，正弦基准电压信号SIN_ref在周期选择信号Sig1的每个周期内具有N个不同的值，每路驱动电压信号Ref_div对应产生正弦基准电压信号N个不同的电压值中的一个。在一个实施例中，正弦基准电压信号SIN_ref的值和sinθ相关，其中，θ大于0°小于等于90°度。具体地，无论是传统控制方式还是本实施例，由于流过电机线圈的电流的波形为正弦波形式，因此要求用于产生H桥电路控制信号的正弦基准电压信号也应为近似的正弦波形；将正弦基准电压信号的拟合波形定义为目标正弦波形，则本实施例中正弦基准电压信号的N个电压值分别对应目标正弦波形上N个预选相位θ的正弦值，即正弦基准电压信号的N个电压值分别与其对应的预选相位θ的正弦值sinθ相关。

在一个实施例中，正弦基准电压信号SIN_ref等于k×sinθ，其中，k为一个正系数，θ=（π/2N)×i，i=1,2,…,N。例如，在图2所示实施例中，k等于参考电压Vref的值。在一个实施例中，θ可以为精确的将π/2除以N份后，每份对应的角度，即θ=（π/2N)×i，i=1,2,…,N。但在其他一些实施例中，θ也可以不用精确对应θ=（π/2N)×i，i=1,2,…,N，而是在这N个θ角度值左右的一个范围内取值都可以。例如，以N等于8为例，θ可以精确的取值11.25°、22.5°、45°、56.25°、67.5°、78.75°和90°。在其他实施例中，θ也可以取与上述8个角度值各自接近的值。例如，θ可以取值12°、23°、45°、56°、68°、79°和90°等，这些均在本发明保护的范围之类。在一个实施例中，阶梯参考电压产生电路30包括N个电阻R1, R2, …,RN，以及与N个电阻一一对应的N个开关管S1, S2, …,SN。电阻R1-RN依次连接在参考电压Vref和逻辑地之间。即：第一电阻R1的第一端耦接参考电压Vref，第一电阻R1的第二端耦接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端耦接第三电阻R3的第一端，以此类推，直到第N个电阻RN的第二端电连接参考地。开关管S1-SN包括第一端、第二端和输出端，每个开关的第一端依次耦接对应电阻的第一端，每个开关的第二端耦接至阶梯参考电压产生电路的输出端，每个开关的控制端依次接收驱动电压信号Ref_div中对应的一个。每个开关仅在每个驱动电压信号的有效状态的时间段内（例如逻辑高电平期间）导通，即在Sig1每个周期中，每个开关依次导通，且仅导通一次，进而在阶梯参考电压产生电路的输出端产生正弦基准电压信号SIN_ref，且该正弦基准电压信号SIN_ref具有N个不同的值。可以理解，依次导通可以是从开关S1, S2, …,SN顺序导通，也可以是从开关SN, SN-1, …,S1的倒序的顺序导通。在图2所示实施例中，SIN_ref=Vref×sinθ，电阻R1-RN的值将根据sinθ的值进行设定。例如，R1的取值需要满足：

又如，R2的取值需要满足：

以此类推，因此，根据sinθ的值可选择合适阻值的电阻，进而产生正弦基准电压信号SIN_ref的N个值，其中，该N个值的包络线为周期为T0的正弦波信号的1/4周期波形图。如图4所示，根据图2中阶梯参考电压产生电路30的示意，假如N的值取整数8，正弦基准电压信号SIN_ref包括8个不同的电压值，分别为8个分压电阻R1-R8第一端上的电压值，即Vr1、Vr2、Vr3、Vr4、Vr5、Vr6、Vr7和Vr8。由图4可看出，电压信号Vr1、Vr2、Vr3、Vr4、Vr5、Vr6、Vr7和Vr8可形成正弦包络线，其中Vr8等于参考电压Vref的值。

再继续参见图2，脉宽调制信号产生模块40接收正弦基准电压信号SIN_ref、电流采样信号Isense、电机控制信号PhaseA和时钟信号CLK2，并根据正弦基准电压信号SIN_ref、电流采样信号Isense、电机控制信号PhaseA和时钟信号CLK2产生电机驱动信号CTL_A1、CTL_A2、CTL_A3和CTL_A4，所述电机驱动信号CTL_A1-CTL_A4分别用于控制步进电机H桥电路中开关管的S1-S4通断。具体地，脉宽调制信号产生模块40将正弦基准电压信号SIN_ref与电流采样信号Isense进行比较产生比较信号COM1，再将比较信号COM1与电机控制信号PhaseA和时钟信号CLK2进行逻辑计算后输出占空比可变的电机驱动信号CTL_A1- CTL_A4。在一个实施例中，开关管S1和开关管S4导通关断同步，开关管S2和开关管S3导通关断同步，且开关管S1、S4与开关管S2、S3导通关断互补。即开关管S1、S4导通，开关管S2、S3关断，反之亦然。因此，电机驱动信号CTL_A1、CTL_A4的波形相同，电机驱动信号CTL_A2、CTL_A3的波形相同，电机驱动信号CTL_A1、CTL_A4的波形与电机驱动信号CTL_A2、CTL_A3的波形逻辑互补，如后续图5中示出的电机驱动信号CTL_A1-CTL_A4的波形所示。

在一些实施例中，所述脉宽调制信号产生模块40包括比较单元41和逻辑控制电路42。比较单元41可采用比较器等具有比较功能的元器件或电路，以比较器为例，比较器的同相输入端、反相输入端和输出端分别对应比较单元的第一端、第二端和输出端，在一个具体实施例中，比较器的同相输入端接收正弦基准电压信号SIN_ref，比较器的反相输入端接收电流采样信号Isense，比较器的输出端根据正弦基准电压信号SIN_ref与电流采样信号Isense的比较结果输出比较信号COM1。

逻辑控制电路42用于接收比较信号COM1、电机控制信号PhaseA和时钟信号CLK2，并根据比较信号COM1、电机控制信号PhaseA和时钟信号CLK2生成电机驱动信号CTL_A1-CTL_A4。

例如，图6示出了根据本发明一个实施例的逻辑控制电路42的一个具体实施例示意图，逻辑控制电路42包括：RS触发器421，具有复位端R、置位端S、第一输出端Q1和第二输出端Q2。RS触发器421的复位端R接收比较信号COM1，RS触发器421的置位端S接收时钟信号CLK2，RS触发器421将比较信号COM1和时钟信号CLK2做逻辑运算，并在第一输出端Q1输出第一控制信号CS1，在第二输出端Q2输出第二控制信号CS2，其中，第一控制信号CS1和第二控制信号CS2为逻辑互补信号。其中，时钟信号的频率CLK2至少为周期选择信号Sig1的频率的N倍。在一个实施例中，时钟信号CLK2的频率越大，电流纹波越小。在一个具体实施例中，周期选择信号Sig1的频率不超过6k赫兹时，时钟信号CLK2的频率可选择50k赫兹。

逻辑控制电路42还包括第一单刀双掷开关422和第二单刀双掷开关423。第一单刀双掷开关422包括输入端、控制端、第一输出端和第二输出端，其中，第一单刀双掷开关422输入端耦接RS触发器421的第一输出端Q1，第一单刀双掷开关422的控制端接收电机控制信号PhaseA。当电机控制信号PhaseA为第一逻辑状态（例如逻辑高）时，第一单刀双掷开关422的输入端与其第一输出端连接，第一控制信号CS1作为第一电机驱动信号CTL_A1和第四电机驱动信号CTL_A4；当电机控制信号PhaseA为第二逻辑状态（例如逻辑低）时，第一单刀双掷开关422的输入端与其第二输出端连接，第一控制信号CS1作为第二电机驱动信号CTL_A2和第三电机驱动信号CTL_A3。

第二单刀双掷开关423包括输入端、控制端、第一输出端和第二输出端，其中，第二单刀双掷开关423输入端耦接RS触发器421的第二输出端Q2，第二单刀双掷开关423的控制端接收电机控制信号PhaseA。当电机控制信号PhaseA为第一逻辑状态（例如逻辑高）时，第二单刀双掷开关423的输入端与其第一输出端连接，第二控制信号CS2作为第二电机驱动信号CTL_A2和第三电机驱动信号CTL_A3；当电机控制信号PhaseA为第二逻辑状态（例如逻辑低）时，第二单刀双掷开关423的输入端与其第二输出端连接，第二控制信号CS2作为第一电机驱动信号CTL_A1和第四电机驱动信号CTL_A4。

例如，在一个实施例中，当电机控制信号PhaseA为逻辑高电平状态时，电机线圈的电流Im正向（OUT1端至OUT2端）流动第一单刀双掷开关422的第一输出端与其输入端连接，RS触发器421输出端Q1输出的信号作为电机驱动信号CTL_A1和 CTL_A4；第二单刀双掷开关423的第一输出端与输入端连接，RS触发器421输出端Q2输出的信号作为电机驱动信号CTL_A2和 CTL_A3。当电机控制信号PhaseA为逻辑低电平状态时，电机线圈的电流Im需要反向（OUT2端至OUT1端）流动，因此，第一单刀双掷开关422的第二输出端与其输入端连接，RS触发器421输出端Q1输出的信号作为电机驱动信号CTL_A2和 CTL_A3；第二单刀双掷开关423的第二输出端与其输入端连接，RS触发器421输出端Q2输出的信号作为电机驱动信号CTL_A1和 CTL_A4。

结合图1、图2和图6示意以及相关的描述可知，在电机控制信号PhaseA为逻辑高电平状态期间，当时钟信号CLK2的上升沿来临时，RS触发器被置位，第一输出端Q1输出高电平信号，第二输出端Q2输出低电平信号，因此，开关管S1和S4导通，开关管S2和S3关断，电流通过开关管S1、电机线圈和开关管S2流至参考地；当采样电流Isense的值等于正弦基准电压信号SIN_ref时，比较信号COM1为低，RS触发器被复位，第一输出端Q1输出低电平信号，第二输出端Q2输出高电平信号，因此，开关管S1和S4关断，开关管S2和S3导通，电流通过开关管S3、电机线圈和开关管S2流至输入电压VIN端。由于正弦基准电压信号SIN_ref的值在变化，开关管S1和S4的导通占空比也随正弦基准电压信号SIN_ref的值变化而变化，进而调节电机线圈流过的正向（OUT1端至OUT2端）电流的大小。在电机控制信号PhaseA为逻辑低电平状态期间，电流换相，当时钟信号CLK2的上升沿来临时，RS触发器被置位，第一输出端Q1输出高电平信号，第二输出端Q2输出低电平信号，因此，开关管S2和S3导通，开关管S1和S4关断，电流通过开关管S2、电机线圈和开关管S4流至参考地；当采样电流Isense的值等于正弦基准电压信号SIN_ref时，比较信号COM1为低，RS触发器被复位，第一输出端Q1输出低电平信号，第二输出端Q2输出高电平信号，因此，开关管S2和S3关断，开关管S1和S4导通，电流通过开关管S4、电机线圈和开关管S1流至输入电压VIN端。同样地，由于正弦基准电压信号SIN_ref的值在变化，开关管S2和S3的导通占空比也随正弦基准电压信号SIN_ref的值变化而变化，进而调节电机线圈流过的反向（OUT2端至OUT1端）电流的大小。通过整个控制电路调节电机线圈电流正向电流和反向电流的大小进而调整电机的转速。

图7所示为根据本发明一个实施例中提出的一种步进电机微步驱动方法，如图7所示，该方法包括步骤S71-步骤S74：

步骤S71，在电机控制信号PhaseA每四分之一个周期内，对第一时钟信号CLK1进行周期计数并等分以产生N路等分移相信号Duty_div，其中，所述电机控制信号的占空比为50%，N为大于等于2的整数，每路等分移相信号Duty_div的周期等于电机控制信号PhaseA周期的四分之一，每路等分移相信号Duty_div的有效状态的占空比等于1/N，每路等分移相信号Duty_div之间依次交错360°/N。

步骤S72，对N路等分移相信号Duty_div进行隔周期镜像复制并生成N路驱动电压信号Ref_div。

步骤S73，根据N路驱动电压信号Ref_div和固定参考电Vref产生正弦基准电压信号SIN_ref，其中，正弦基准电压信号SIN_ref包括N个不同的电压值，每路驱动电压信号Ref_div对应产生正弦基准电压信号N个不同的电压值中的一个，正弦基准电压信号的值和sinθ相关，其中，0°＜θ≤90°。

步骤S74，根据电机控制信号PhaseA、正弦基准电压信号SIN_ref、电流采样信号Isense和第二时钟信号CLK2产生电机驱动信号CTL_A1、CTL_A2、CTL_A3和CTL_A4，所述电流采样信号Isense表征流过电机线圈的电流，所述电机驱动信号CTL_A1、CTL_A2、CTL_A3和CTL_A4用于控制所述步进电机系统中H桥中开关管的导通和关断时间。

步骤S74又包括步骤S741-742。步骤S741，将正弦基准电压信号SIN_ref与电流采样信号Isense比较产生比较信号COM1。步骤S742，将比较信号COM1、电机控制信号PhaseA和第二时钟信号CLK2做逻辑运算，产生第一电机驱动信号CTL_A1、第二电机驱动信号CTL_A2、第三电机驱动信号CTL_A3和第四电机驱动信号CTL_A4分别用于控制H桥电路中四个开关管S1-S4的导通和关断时间。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。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之内。

Claims (10)

1.一种用于步进电机系统的微步驱动电路，其特征在于，包括：

等分移相信号产生电路，接收电机控制信号和第一时钟信号，并根据电机控制信号和第一时钟信号产生N路等分移相信号，其中，所述电机控制信号的占空比为50%，N为大于等于2的整数，每路等分移相信号的周期等于电机控制信号周期的四分之一，每路等分移相信号的有效状态的占空比等于1/N，每路等分移相信号之间依次交错360°/N；

解码模块，接收N路等分移相信号，并对N路等分移相信号进行隔周期镜像复制从而生成N路驱动电压信号；

阶梯参考电压产生电路，接收N路驱动电压信号和固定参考电压，并根据N路驱动电压信号和固定参考电压产生正弦基准电压信号，其中，正弦基准电压信号包括N个不同的电压值，每路驱动电压信号对应产生正弦基准电压信号N个不同的电压值中的一个，正弦基准电压信号的值和sinθ相关，其中，0°＜θ≤90°；以及

脉宽调制信号产生模块，接收电机控制信号、正弦基准电压信号、电流采样信号和第二时钟信号，并根据电机控制信号、正弦基准电压信号、电流采样信号和第二时钟信号产生电机驱动信号，所述电流采样信号表征流过电机线圈的电流，所述电机驱动信号用于控制所述步进电机系统中H桥中开关管的导通和关断时间。

2.根据权利要求1所述的微步驱动电路，其特征在于，所述正弦基准电压信号的值等于k×sinθ，其中，k等于固定参考电压的值，。

3.根据权利要求1所述的微步驱动电路，其特征在于，所述等分移相信号产生电路包括：

周期选择电路，接收电机控制信号，并在电机控制信号的每四分之一周期时刻产生一个脉冲，进而生成周期选择信号；

周期计数电路，接收周期选择信号和第一时钟信号，并在周期选择信号的每个周期内对第一时钟信号进行周期计数从而生成周期计数信号，其中，周期计数信号代表周期选择信号的每个周期内第一时钟信号的周期数量；以及

周期分步电路，用于在周期选择信号的每个周期内对周期计数信号进行N等分，从而生成N路等分移相信号。

4.根据权利要求3所述的微步驱动电路，其特征在于，所述电机控制信号包括第一电机控制信号和第二电机控制信号，所述第二电机控制信号和所述第一电机控制信号相同但相位相差90°，所述周期选择电路接收第一电机控制信号和第二电机控制信号，并在第一电机控制信号的每个边沿时刻和第二电机控制信号的每个边沿时刻产生一个脉冲，进而生成周期选择信号。

5.根据权利要求1所述的微步驱动电路，其特征在于，所述阶梯参考电压产生电路包括：

N个阻性元件，依次串联在固定参考电压和参考地之间；

N个电子开关，与N个阻性元件和N路驱动电压信号均一一对应，每个电子开关具有第一端、第二端和控制端，所述每个电子开关的第一端依次与对应的阻性元件的一端耦接，所述每个电子开关的第二端均作为阶梯参考电压产生电路的输出端，所述每个电子开关的控制端接收对应的驱动电压信号，所述驱动电压信号用于控制该电子开关第一端和第二端的断开或连接。

6.根据权利要求1所述的微步驱动电路，其特征在于，所述电机驱动信号包括第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号，所述脉宽调制信号产生模块包括：

比较单元，具有第一端、第二端和输出端，所述比较单元的第一端接收正弦基准电压信号，所述比较单元的第二端接收电流采样信号，所述比较单元将正弦基准电压信号与电流采样信号比较并在输出端输出比较信号；以及

逻辑控制电路，接收比较信号、电机控制信号和第二时钟信号，并根据比较信号、电机控制信号和第二时钟信号产生第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号，其中，第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号分别用于控制H桥电路中四个开关管的导通和关断时间。

7.根据权利要求6所述的微步驱动电路，其特征在于，所述H桥电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第三开关管串联耦接在输入电压端和参考地之间，第二开关管和第四开关管串联耦接在输入电压端和参考地之间，电机线圈耦接在第一开关管和第三开关管的公共节点和第二开关管和第四开关管的公共节点之间，所述第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号分别用于控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；

所述逻辑控制电路包括：

RS触发器，具有复位端、置位端、第一输出端和第二输出端，RS触发器的复位端接收比较信号，RS触发器的置位端接收第二时钟信号，RS触发器将比较信号和第二时钟信号做逻辑运算，并在第一输出端输出第一控制信号，在第二输出端输出第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号为逻辑互补信号；

第一单刀双掷开关，包括输入端、控制端、第一输出端和第二输出端，第一单刀双掷开关输入端接收第一控制信号，第一单刀双掷开关的控制端接收电机控制信号，当电机控制信号为第一逻辑状态时，第一单刀双掷开关的输入端与其第一输出端连接，第一控制信号作为第一电机驱动信号和第四电机驱动信号，当电机控制信号为第二逻辑状态时，第一单刀双掷开关的输入端与其第二输出端连接，第一控制信号作为第二电机驱动信号和第三电机驱动信号；以及

第二单刀双掷开关，包括输入端、控制端、第一输出端和第二输出端，第二单刀双掷开关输入端接收第二控制信号，第二单刀双掷开关的控制端接收电机控制信号，当电机控制信号为第一逻辑状态时，第二单刀双掷开关的输入端与其第一输出端连接，第二控制信号作为第二电机驱动信号和第三电机驱动信号；当电机控制信号为第二逻辑状态时，第二单刀双掷开关的输入端与其第二输出端连接，第二控制信号作为第一电机驱动信号和第四电机驱动信号。

8.根据权利要求7所述的微步驱动电路，其特征在于，所述第一时钟信号的频率至少是周期选择信号的频率的N倍，所述第二时钟信号的频率至少是周期选择信号的频率的N倍。

9.一种用于步进电机系统的微步驱动方法，其特征在于，包括：

步骤一：在电机控制信号每四分之一个周期内，对第一时钟信号进行周期计数并等分以产生N路等分移相信号，其中，所述电机控制信号的占空比为50%，N为大于等于2的整数，每路等分移相信号的周期等于电机控制信号周期的四分之一，每路等分移相信号的有效状态的占空比等于1/N，每路等分移相信号之间依次交错360°/N；

步骤二：对N路等分移相信号进行隔周期镜像复制并生成N路驱动电压信号；

步骤三：根据N路驱动电压信号和固定参考电压产生正弦基准电压信号，其中，正弦基准电压信号包括N个不同的电压值，每路驱动电压信号对应产生正弦基准电压信号N个不同的电压值中的一个，正弦基准电压信号的值和sinθ相关，其中，0°＜θ≤90°；以及

步骤四：根据电机控制信号、正弦基准电压信号、电流采样信号和第二时钟信号产生电机驱动信号，所述电流采样信号表征流过电机线圈的电流，所述电机驱动信号用于控制所述步进电机系统中H桥中开关管的导通和关断时间。

10. 根据权利要求9所述的微步驱动方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括：

将正弦基准电压信号与电流采样信号比较产生比较信号；以及

将比较信号、电机控制信号和第二时钟信号做逻辑运算，产生第一电机驱动信号、第二电机驱动信号、第三电机驱动信号和第四电机驱动信号分别用于控制H桥电路中四个开关管的导通和关断时间。