CN117498734A - 一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统及方法，以解决现有的电机驱动控制方法驱动效率低、运行平稳性差的问题。具体包括驱动控制器、两相步进电机和功率放大电路；功率放大电路包括结构相同的A相绕组H桥和B相绕组H桥驱动电路；A相绕组H桥驱动电路的控制端与驱动控制器的输出端连接，A相绕组H桥驱动电路的输出端与步进电机的A线圈连接；B相绕组H桥驱动电路的控制端与驱动控制器的B输出端连接，A相绕组和B相绕组H桥驱动电路通过供电母线供电，B相绕组H桥驱动电路的输出端与步进电机的B线圈连接；驱动控制器用于产生A相控制信号和B相控制信号；A相控制信号包括PWM‑A、DIR‑A和Enable‑A；B相控制信号包括PWM‑B、DIR‑B和Enable‑B。
Description
技术领域
本发明涉及步进电机，具体涉及一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统及方法。
背景技术
步进电机可采用恒压驱动法或恒流驱动法。对于恒压驱动法，其驱动过程中，电压保持恒定，采用单电压功率驱动电路，其优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高；但是由于串入电阻后，功耗加大，整个功率驱动电路的效率较低，且恒压驱动过程运行平稳性差，因此该方法只适合于驱动小功率步进电机且驱动平稳性要求不高的场合。对于恒流驱动法，其驱动过程中，电流保持恒定，采用相电流反馈的方式进行斩波控制，该方法因驱动过程引入反馈，电流恒定，驱动效率高，驱动平稳，但因需引入电流反馈电路，使得驱动电路比较复杂，且反馈的相电流有高次谐波，恒流闭环调试过程复杂繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统及方法，以解决现有的电机驱动控制方法驱动效率低、运行平稳性差、驱动电路复杂且调试过程复杂繁琐的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统，包括驱动控制器、两相步进电机；
其特殊之处在于：还包括功率放大电路；
所述功率放大电路包括结构相同的A相绕组H桥驱动电路和B相绕组H桥驱动电路；
所述A相绕组H桥驱动电路的控制端与驱动控制器的输出端连接，A相绕组H桥驱动电路通过供电母线供电，A相绕组H桥驱动电路的输出端与步进电机的A线圈连接；
所述B相绕组H桥驱动电路的控制端与驱动控制器的B输出端连接，B相绕组H桥驱动电路通过供电母线供电，B相绕组H桥驱动电路的输出端与步进电机的B线圈连接；
所述驱动控制器用于产生A相控制信号和B相控制信号，分别通过A输出端和B输出端输出；
所述A相控制信号包括PWM-A、DIR-A和Enable-A，PWM-A用于控制斩波占空比；DIR-A用于切换A相H桥驱动电路的电流方向；Enable-A用于提供使能信号；
所述B相控制信号包括PWM-B、DIR-B和Enable-B，PWM-B用于控制斩波占空比；DIR-B用于切换B相H桥驱动电路的电流方向；Enable-B用于提供使能信号。
同时，本发明还提供了一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制方法，基于上述的一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、驱动控制器设置斩波定时器定时周期T；
步骤2、从运动时刻t＝0开始，使能A相绕组H桥驱动电路和B相绕组H桥驱动电路Enable-A、Enable-B使能信号；
步骤3、驱动控制器在每个时刻实时计算A相绕组和B相绕组的斩波占空比εA(t)和εB(t)；
3.1)根据步进电机期望电流Ic得到其期望A相电流iA(t)和B相电流iB(t)：
式中，n(t)为步进电机期望的运行速度，单位为°/s，pi是圆周率；
3.2)合成驱动步进电机所需A相电压uA(t)和B相电压uB(t)：
式中，R为步进电机相电阻，为步进电机反电动势系数；
3.3)根据A相电压uA(t)、B相电压uB(t)及供电母线电压U计算步进电机A相绕组斩波占空比εA(t)和B相绕组斩波占空比εB(t)：
步骤4、驱动控制器根据斩波占空比的大小|εA(t)|和|εB(t)|、方向sgn(εA(t))和sgn(εB(t))输出PWM-A、DIR-A、Enable-A和PWM-B、DIR-B、Enable-B信号，分别对供电母线的电压进行斩波，实现两相步进电机无电流反馈的恒流控制；
步骤5、斩波定时器一个定时周期T结束，返回步骤3，进行下一个定时周期T的控制。
进一步地，步骤4中，输出DIR-A和DIR-B信号具体为：
当εA(t)≥0时，控制A相绕组H桥驱动电路的DIR-A信号置为高电平；
当εA(t)<0时，控制A相绕组H桥驱动电路的DIR-A信号为低电平；
当εB(t)≥0时，控制B相绕组H桥驱动电路的DIR-B信号置为高电平；
当εB(t)<0时，控制B相绕组H桥驱动电路的DIR-B信号为低电平。
进一步地，步骤4中，PWM-A信号高电平时间为T|εA(t)|，低电平时间为T(1-|εA(t)|)；PWM-B信号高电平时间为T|εB(t)|，低电平时间为T(1-|εB(t)|)。
进一步地，步骤1中，所述驱动控制器采用FPGA，FPGA内斩波定时器定时周期设置为5μs，即斩波频率为200KHz。
本发明的有益效果：
1、驱动电路简单且易于调节；
本发明提出一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统及方法，能够在不引入电流反馈电路情况下实现步进电机的恒流控制，该方法驱动电路简单，易于调节，且驱动过程平稳。
2、算法实现简单，驱动细分数高，驱动平稳；
本发明提出一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统及方法，驱动控制器算法实现简单，每个斩波定时周期均对占空比进行一次调节，细分频率为斩波频率，细分数高，驱动电流波形与正弦波无限接近，驱动平稳。
3、方便灵活调节步进电机的实时运行转速和驱动电流(转矩)；
本发明在驱动过程中，根据步进电机实时速度及实时驱动力矩的需要，设置期望运转速度n(t)与期望电流Ic，在每个定时周期内，代入实时期望运转速度n(t)与期望电流Ic计算A、B相斩波占空比，进行A、B相斩波控制，实现驱动转速和驱动力矩的实时调节。
附图说明
图1是本发明一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统的结构示意图；
图2是本发明一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制方法流程图；
图3是本发明实施例中步进电机运动速度和运行位置波形图；
图4是本发明实施例中正弦波斩波示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统，如图1所示，包括驱动控制器、步进电机以及功率放大电路；步进电机为两相步进电机，包含A相绕组和B相绕组；驱动控制器由FPGA实现，步进电机每相绕组与一个H桥驱动电路相连，FPGA与每个H桥驱动电路中控制信号相连，包括PWM信号，方向信号DIR和使能信号Enable。若步进电机的由位置A运动至位置B，按照等加减速度规划速度波形，其速度波形如图3所示。功率放大电路由H桥驱动电路实现。功率放大电路包括结构相同的A相绕组H桥驱动电路和B相绕组H桥驱动电路；A相绕组H桥驱动电路的控制端与驱动控制器的A输出端连接，A相绕组H桥驱动电路通过供电母线供电，A相绕组H桥驱动电路的输出端与步进电机的A线圈连接；B相绕组H桥驱动电路的控制端与驱动控制器的B输出端连接，B相绕组H桥驱动电路通过供电母线供电，B相绕组H桥驱动电路的输出端与步进电机的B线圈连接；驱动控制器由FPGA实现，用于产生A相控制信号和B相控制信号；A相控制信号包括PWM-A、DIR-A和Enable-A，PWM-A用于控制斩波占空比；DIR-A用于切换A相H桥驱动电路的电流方向；Enable-A为使能信号；B相控制信号包括PWM-B、DIR-B和Enable-B，PWM-B用于控制斩波占空比；DIR-B用于切换B相H桥驱动电路的电流方向；Enable-B为使能信号。
如图2所示，无电流反馈的步进电机恒流驱动控制方法实现过程如下：
步骤1、设置驱动控制器FPGA内斩波定时器定时周期设置为5μs，即斩波频率为200KHz。
步骤2、从t＝0时刻开始，使能A相绕组和B相绕组H桥驱动电路Enable-A、Enable-B使能信号。
步骤3、在每个定时周期内，FPGA按定时周期为5μs，占空比|εA(t)|，控制步进电机A相绕组H桥驱动电路的PWM-A信号，即该PWM-A信号高电平时间为5×|εA(t)|×10-6s，低电平时间为5×(1-|εA(t)|)×10-6s；斩波示意图如图4所示；其中：
当εA(t)≥0时，控制A相绕组H桥驱动电路的DIR-A信号置为高电平；
当εA(t)<0时，控制A相绕组H桥驱动电路的DIR-A信号为低电平；
同时，从t＝0时刻开始，使能B相绕组H桥驱动电路Enable-B使能信号，在每个定时周期内，FPGA按定时周期为5μs，占空比|εB(t)|，控制步进电机B相绕组H桥驱动电路的PWM-B信号，即该PWM-B信号高电平时间为5×|εB(t)|×10-6s，低电平时间为5×(1-|εB(t)|)×10-6s；其中：
当εB(t)≥0时，控制B相绕组H桥驱动电路的DIR-B信号置为高电平；
当εB(t)<0时，控制B相绕组H桥驱动电路的DIR-B信号为低电平；
直到速度波形结束，除能A相绕组和B相绕组H桥驱动电路使能信号Enable-A和Enable-B，完成步进电机由位置A到位置B的驱动控制，位置A和位置B如图3所示。
具体包括：
3.1)根据步进电机期望电流Ic得到其期望A相电流iA(t)和B相iB(t)：
式中，n(t)为步进电机期望的运行速度；
3.2)合成驱动步进电机所需A相电压uA(t)和B相电压uB(t)：
式中，R为步进电机相电阻，为步进电机反电动势系数；
3.3)根据A相电压uA(t)、B相电压uB(t)及供电母线电压U计算步进电机A相绕组斩波占空比εA(t)和B相绕组斩波占空比εB(t)：
步骤4、驱动控制器根据斩波占空比的大小|εA(t)|和|εB(t)|、方向sgn(εA(t))和sgn(εB(t))输出PWM-A、DIR-A、Enable-A和PWM-B、DIR-B、Enable-B信号，分别对供电母线的电压进行斩波，输出实现两相步进电机无电流反馈的恒流控制；直到速度波形结束，除能A相绕组和B相绕组H桥驱动电路Enable-A和Enable-B使能信号，完成步进电机由位置A到位置B的驱动控制。
步骤5、斩波定时器一定时周期T结束，返回步骤3，进行下一定时周期T的控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统，包括驱动控制器、两相步进电机，其特征在于：还包括功率放大电路；
所述功率放大电路包括结构相同的A相绕组H桥驱动电路和B相绕组H桥驱动电路；
所述A相绕组H桥驱动电路的控制端与驱动控制器的输出端连接，A相绕组H桥驱动电路通过供电母线供电，A相绕组H桥驱动电路的输出端与步进电机的A线圈连接；
所述B相绕组H桥驱动电路的控制端与驱动控制器的B输出端连接，B相绕组H桥驱动电路通过供电母线供电，B相绕组H桥驱动电路的输出端与步进电机的B线圈连接；
所述驱动控制器用于产生A相控制信号和B相控制信号，分别通过A输出端和B输出端输出；
所述A相控制信号包括PWM-A、DIR-A和Enable-A，PWM-A用于控制斩波占空比；DIR-A用于切换A相H桥驱动电路的电流方向；Enable-A用于提供使能信号；
所述B相控制信号包括PWM-B、DIR-B和Enable-B，PWM-B用于控制斩波占空比；DIR-B用于切换B相H桥驱动电路的电流方向；Enable-B用于提供使能信号。
2.一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制方法，基于权利要求1所述的一种无电流反馈的步进电机恒流驱动控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、驱动控制器设置斩波定时器定时周期T；
步骤2、从运动时刻t＝0开始，使能A相绕组H桥驱动电路和B相绕组H桥驱动电路Enable-A、Enable-B使能信号；
步骤3、驱动控制器在每个时刻实时计算A相绕组和B相绕组的斩波占空比εA(t)和εB(t)；
3.1)根据步进电机期望电流Ic得到其期望A相电流iA(t)和B相电流iB(t)：
式中，n(t)为步进电机期望的运行速度，单位为°/s，pi是圆周率；
3.2)合成驱动步进电机所需A相电压uA(t)和B相电压uB(t)：
式中，R为步进电机相电阻，为步进电机反电动势系数；
3.3)根据A相电压uA(t)、B相电压uB(t)及供电母线电压U计算步进电机A相绕组斩波占空比εA(t)和B相绕组斩波占空比εB(t)：
步骤4、驱动控制器根据斩波占空比的大小|εA(t)|和|εB(t)|、方向sgn(εA(t))和sgn(εB(t))输出PWM-A、DIR-A、Enable-A和PWM-B、DIR-B、Enable-B信号，分别对供电母线的电压进行斩波，实现两相步进电机无电流反馈的恒流控制；
步骤5、斩波定时器一个定时周期T结束，返回步骤3，进行下一个定时周期T的控制。
3.根据权利要求2所述的无电流反馈的步进电机恒流驱动控制方法，其特征在于，步骤4中，输出DIR-A和DIR-B信号具体为：
当εA(t)≥0时，控制A相绕组H桥驱动电路的DIR-A信号置为高电平；
当εA(t)<0时，控制A相绕组H桥驱动电路的DIR-A信号为低电平；
当εB(t)≥0时，控制B相绕组H桥驱动电路的DIR-B信号置为高电平；
当εB(t)<0时，控制B相绕组H桥驱动电路的DIR-B信号为低电平。
4.根据权利要求3所述的无电流反馈的步进电机恒流驱动控制方法，其特征在于：
步骤4中，PWM-A信号高电平时间为T|εA(t)|，低电平时间为T(1-|εA(t)|)；PWM-B信号高电平时间为T|εB(t)|，低电平时间为T(1-|εB(t)|)。
5.根据权利要求2-4任一所述的无电流反馈的步进电机恒流驱动控制方法，其特征在于：步骤1中，所述驱动控制器采用FPGA，FPGA内斩波定时器定时周期设置为5μs，即斩波频率为200KHz。
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