CN117792175B - 三相爪极步进电机驱动方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，并公开了一种三相爪极步进电机驱动方法及系统，该方法包括：在三相爪极步进电机启动时，通过开环强拖控制对三相爪极步进电机的转速进行提升；在转速提升过程中启动控制器的内部估算器对三相爪极步进电机的当前转速进行估算；当三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制；针对三相爪极步进电机的机械结构以及磁路特性，建立适用于三相爪极步进电机的电机模型，以优化的FOC算法对三相爪极步进电机的运行状态进行估算。针对三相爪极步进电机的应用需求，提出了一种适配FOC和三相爪极步进电机的驱动策略。

Description

三相爪极步进电机驱动方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种三相爪极步进电机驱动方法及系统。

背景技术

现有的三相爪极步进电机的爪部设计存在问题，矩形的爪部会导致电机的齿槽转矩偏大，在运行的过程中引入较大的转矩脉动；三角形的爪部设计降低永磁体的利用率，会导致电机的转矩降低。

三相爪极步进电机原始的驱动办法为开环6步强拖，使用这种驱动方式的原因是爪极步进电机是一种低成本的开环类伺服电机，即在爪极步进电机的输出转矩能满足负载需求时，步进电机可以保证不失步，达到给一个脉冲行进一个步距角的效果。这种驱动方式存在一种问题，因为其轴向叠放的结构，同一个时刻只有2/3的永磁体被利用，因此会造成电机性能的浪费。同时，使用这种“六步驱动”的方式，三相爪极步进电机的电流很难受到合理的控制，无法控制电流将导致运行时电流的谐波大，电机运行噪音以及抖动都比较大。这种驱动方式必然导致三相爪极步进电机在驱动时效率低且发热严重、动态响应能力差、运行噪声以及噪音大、输出转矩受限等问题。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三相爪极步进电机驱动方法及系统，旨在解决三相爪极步进电机在驱动时效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种三相爪极步进电机驱动方法，所述三相爪极步进电机驱动方法应用于三相爪极步进电机驱动系统，包括：

在三相爪极步进电机启动时，通过开环强拖控制对所述三相爪极步进电机的转速进行提升；

在转速提升过程中启动控制器的内部估算器对所述三相爪极步进电机的当前转速进行估算；

所述在转速提升过程中启动控制器的内部估算器对所述三相爪极步进电机的当前转速进行估算的步骤，包括：

所述三相爪极步进电机使用的是轴向堆叠的结构，三相位于同一轴线上，因此在针对电机的相电压建立电机模型时，需要引入另外两相绕组引起的互感，其中，所述三相爪极步进电机的轴向堆叠结构每一相的磁链为永磁体总磁链的1/3，故在建立电机模型时，需将所述永磁体总磁链的1/3也进行考虑；

通过所述电机模型，建立适用于所述三相爪极步进电机的估算器；

在运行的过程中，根据实时位置启动控制器内部的所述估算器对所述三相爪极步进电机的转子的实时位置进行估算；

通过所述三相爪极步进电机的转子的实时位置得到所述三相爪极步进电机的转速；

当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制；

所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入优化后的FOC算法进行闭环控制之后，包括：

根据估算器输出的角度对电机的DQ轴电流进行反park变换和反clark变换得到目标三相相电压；

通过SVPWM对所述目标三相相电压进行斩波，以使所述三相爪极步进电机U、V、W三相的桥臂在同一时刻均导通，进而使所述三相爪极步进电机的三相电流波形处于预设范围；

针对所述三相爪极步进电机的机械结构以及磁路特性，建立适用于所述三相爪极步进电机的电机模型，以优化的FOC算法对所述三相爪极步进电机的运行状态进行估算。

可选地，所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入闭环控制之后，还包括：

通过采集三相爪极步进电机的三相电流，输入估算器，通过所述估算器估算所述三相爪极步进电机的转子位置以及转速；

当所述三相爪极步进电机的运行转速降到预设阈值以下时，由闭环控制切入强拖运行控制。

可选地，所述三相爪极步进电机包括U相、V相和W相；当所述U相上桥导通记为1，当所述U相下桥导通记为0；当所述V相上桥导通记为1，当所述V相下桥导通记为0；当所述W相上桥导通记为1，当所述W相下桥导通记为0；

使用SVPWM的斩波方式，对U、V、W的三相进行斩波；

通过所述斩波方式控制所述三相爪极步进电机的三相绕组生成电磁场的方向；

在所述三相爪极步进电机启动时，利用所述电磁场的方向通过开环强拖控制对所述三相爪极步进电机的转速进行提升。

可选地，所述在三相爪极步进电机启动时，通过开环强拖控制对所述三相爪极步进电机的转速进行提升，包括：

在三相爪极步进电机启动时，通过所述三相爪极步进电机的转子所受到的三相绕组合成的磁矢量方向进行强拖换向，控制所述三相爪极步进电机的转速进行提升。

可选地，所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制之前，包括：

采集所述三相爪极步进电机的三相的相电流；

将采集到的所述相电流转换为两相静态αβ坐标系下的αβ轴电流；

将所述两相静态坐标系下的αβ轴电流转换为两相动态坐标系下的DQ轴电流；

通过控制器对所述两相动态坐标系下的DQ轴电流进行PI调节，控制输出到三相爪极步进电机的三相电流的大小、幅值和相位；

同时将采集到的电流输入针对三相爪极步进电机进行过特别优化的电机模型，估算当前电机转子的角度；

所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制，包括：

当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入优化后的FOC算法进行闭环控制。

可选地，所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入优化后的FOC算法进行闭环控制之后，包括：

根据估算器输出的角度对电机的DQ轴电流进行反park变换和反clark变换得到目标三相相电压；

通过SVPWM对所述目标三相相电压进行斩波，以使所述三相爪极步进电机U、V、W三相的桥臂在同一时刻均导通，进而使所述三相爪极步进电机的三相电流波形处于预设范围。

本发明还提供三相爪极步进电机驱动一种三相爪极步进电机驱动系统，所述三相爪极步进电机驱动系统应用于如权利要求1~6所述的三相爪极步进电机驱动方法，包括：三相爪极步进电机、驱动单元、控制器和电源单元：

所述控制器分别与所述三相爪极步进电机和驱动单元连接，所述驱动单元与所述三相爪极步进电机连接，所述电源单元分别与所述控制器和所述驱动单元连接；

所述电源单元，用于输出电源电压为所述控制器以及所述驱动单元进行供电；

所述控制器，用于检测所述三相爪极步进电机的三相电参数，并基于所述三相电参数的频率以及幅值输出对应的驱动信号至所述驱动单元；

所述驱动单元，用于对所述三相爪极步进电机的目标三相相电压进行斩波；

所述驱动单元，还用于在接收到所述驱动信号时，驱动所述三相爪极步进电机按照所述驱动信号对应的运行参数运行。

可选地，所述三相爪极步进电机，包括一种梯形爪结构，其中，所述梯形爪结构的上底与下底的比例为预设大小，所述梯形爪结构的高为预设长度；

所述梯形爪结构，用于维持所述三相爪极步进电机达到预设保持转矩，并降低所述三相爪极步进电机的制动转矩。

本发明给出了一种三相爪极步进电机的爪形设计以及其爪形尺寸的参数范围，可以保证电机在拥有足够大的转矩输出的同时又有很小的齿槽转矩；还对FOC算法进行针对性优化，使其适配于三相爪极步进电机，保证能够达到三相爪极步进电机对位置控制精度要求的同时提高电机的效率、降低发热、提高动态响应能力、保证在高速时的运行更加稳定，同时输出更大的转矩；针对三相爪极步进电机的应用需求，提出了一种适配FOC和三相爪极步进电机的驱动策略，在保证其位置精度的同时将FOC算法的优点也尽可能的发挥。

附图说明

图1为本发明三相爪极步进电机驱动系统的结构示意图；

图2为本发明三相爪极步进电机驱动系统的梯形爪结构图；

图3为本发明三相爪极步进电机驱动方法第一实施例的流程示意图；

图4为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的流程示意图；

图5为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的导通状态图；

图6为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第一导通状态图；

图7为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第二导通状态图；

图8为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第三导通状态图；

图9为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第四导通状态图；

图10为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第五导通状态图；

图11为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第六导通状态图；

图12为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的磁场分布图；

图13为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的径向力分布图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，图1为本发明三相爪极步进电机驱动系统的结构示意图。

如图1所示，该三相爪极步进电机驱动系统包括：三相爪极步进电机1、驱动单元2、控制器3和电源单元4：

所述控制器3分别与所述三相爪极步进电机1和驱动单元2连接，所述驱动单元2与所述三相爪极步进电机1连接，所述电源单元4分别与所述控制器3和所述驱动单元2连接；

需要说明的是，控制器可以是核心控制器，作用为处理采集电机端反馈的电流以及电压信号，并对采集到的信号进行处理，计算分析后输出控制三相全控桥的电平信号，驱动单元可以是三相半桥，作用为对电机端三相的电压进行斩波，以达到希望得到的电流波形，从而驱动三相爪极步进电机运行，三相爪极步进电机为被控对象，该电机的三相定子绕组在轴向一共有三叠，三相的绕组可以Y或Δ接出三个出线端；其转子为圆柱状永磁体且与电机轴相连接。

进一步地，所述三相爪极步进电机1，包括一种梯形爪结构C3，其中，所述梯形爪结构的上底与下底的比例为预设大小，所述梯形爪结构的高为预设长度；

所述梯形爪结构，用于维持所述三相爪极步进电机达到预设保持转矩，并降低所述三相爪极步进电机的制动转矩。

如图2所示，图2为本发明三相爪极步进电机驱动系统的梯形爪结构图。

需要说明的是，梯形爪的结构设计可以保证该电机有足够的保持转矩的同时，能够尽可能的降低电机的制动转矩，保证电机的低振动。C3的爪形设计时对梯形的上底、下底以及高度都有其要求，并非其是个梯形即可。

在具体实现中，上底与下底的比例关系应在1/3到1/5之间为最佳爪形，在该范围内制动扭矩会比较小；同时C3的高度应为每个一叠绕组结构上下两轭高度的11/15到13/15，在这个范围内可以将制动扭矩保持在一个较小值，同时保证保持扭矩处于一个较高的数值。

所述电源单元4，用于输出电源电压为所述控制器以及所述驱动单元进行供电；

所述控制器3，用于检测所述三相爪极步进电机的三相电参数，并基于所述三相电参数的频率以及幅值输出对应的驱动信号至所述驱动单元；

所述驱动单元2，用于对所述三相爪极步进电机的目标三相相电压进行斩波；

所述驱动单元2，还用于在接收到所述驱动信号时，驱动所述三相爪极步进电机按照所述驱动信号对应的运行参数运行。

本实施例通过提出一种三相爪极步进电机驱动系统，通过三相爪极步进电机、驱动单元、控制器和电源单元构成硬件电路部分，作为使用三相爪极步进电机驱动方法的载体，还提出一种针对三相爪极步进电机爪形的设计要求，进一步优化驱动系统的性能。

本发明实施例提供了一种三相爪极步进电机驱动方法，参照图3，图3为本发明三相爪极步进电机驱动方法第一实施例的流程示意图。

本实施例中，所述三相爪极步进电机驱动方法包括以下步骤：

步骤S10：在三相爪极步进电机启动时，通过开环强拖控制对三相爪极步进电机的转速进行提升。

需要说明的是，三相爪极步进的结构：常见的三相爪极步进电机的三相定子绕组在轴向一共有三叠，三相的绕组可以Y或Δ接出三个出线端；其转子为圆柱状永磁体且与电机轴相连接。

可理解的是，三相爪极步进电机是一种低成本的开环式位置控制电机，其功能的核心是实现精确的位置控制。在引入优化的FOC控制算法以后，我们需要调整一种更加合适的控制策略，在保证位置控制精度的同时又能保证运行的平稳、高效、低噪音。

应理解的是，在三相爪极步进电机需要运行在一个极低转速时，电机的反电动势较小，不足以支撑三相爪极步进电机的估算器运行，此时采用SVPWM波进行开环强拖控制。

进一步地，在三相爪极步进电机启动时，通过三相爪极步进电机的转子所受到的六个磁矢量按照各自的矢量方向进行强拖换向，控制三相爪极步进电机的转速进行提升。

在具体实现中，在三相爪极步进电机启动时，按照三相爪极步进电机的转子所受到的六个磁矢量的六个矢量方向进行强拖换向，每一个步距角为60度的电角度，进行强拖运行。

步骤S20：在转速提升过程中启动控制器的内部估算器对三相爪极步进电机的当前转速进行估算。

需要说明的是，在进行强拖运行的同时，在控制器的内部估算器已经开始进行估算运行。

进一步地，三相爪极步进电机使用的是轴向堆叠的结构，三相位于同一轴线上，因此在针对电机的相电压建立电机模型时，需要引入另外两相绕组引起的互感，其中，三相爪极步进电机的轴向堆叠结构每一相的磁链为永磁体总磁链的1/3，故在建立电机模型时，需将所述永磁体总磁链的1/3也进行考虑；通过电机模型，建立适用于三相爪极步进电机的估算器；在运行的过程中，根据实时位置启动控制器内部的估算器对三相爪极步进电机的转子的实时位置进行估算；通过三相爪极步进电机的转子的实时位置得到三相爪极步进电机的转速。

需要说明的是，通过建立两相静态坐标系下的电机模型作为估算器，可以估算三相爪极步进电机转子的实时位置（也可以在动态坐标系下建立，只是在静态坐标系下建立更为方便）。

可以理解的是，与传统的FOC不同，在建立电机的模型时，不可以直接套用传统的FOC的那套理论模型，需要针对三相爪极步进电机进行针对性的改进。在建立电机运行模型时，需要用到电机的反电动势，与传统的PMSM电机不同，三相爪极步进电机因其特殊的轴向堆叠结构导致电机的相反电动势的生成仅有1/3的永磁体参与，因此，需要对估算器的建立进行特殊处理，保证建立的电机模型和真实情况相吻合。

在具体实现中，建立两相静态坐标系下的电机模型；通过三相爪极电机的反电动势对电机模型进行处理，将处理后的电机模型作为估算器；在转速提升过程中，根据实时位置启动控制器内部的估算器对三相爪极步进电机的转子的实时位置进行估算；通过三相爪极步进电机的转子的实时位置得到三相爪极步进电机的转速。

步骤S30：当三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制。

需要说明的是，当转速达到设定的阈值以后，由估算器接管电机的运行角度，电机由强拖控制切入FOC闭环控制，以达到电机运行的平稳、高效、低噪音。

可理解的是，电机运行转速越高，FOC的优势越明显。

进一步地，在本实施例中，通过控制器记录三相爪极步进电机的转子所经过扇区的数量，以获取三相爪极步进电机的运行转速；当所述三相爪极步进电机的运行转速降到预设阈值以下时，由闭环控制切入强拖运行控制。

需要说明的是，在切入FOC以后，控制器内部会精确记录电机转子所经过扇区的数量，以保证电机不失步。

在速度由高转低且降低到速度阈值以下时，由FOC切入开环强拖运行。

进一步地，在本实施例中，为了停止所述三相爪极步进电机，还可以包括：当需要停止三相爪极步进电机时，根据输入的位置信号计算出三相爪极步进电机的目标位置；通过控制器输入指向目标位置的磁矢量，以使三相爪极步进电机停在目标位置。

在具体实现中，在输入的位置信号消失时，根据输入的信号计算出电机应该所处的位置，控制器输入指向该位置的磁矢量，保证电机能够停在控制信号期望的位置。

步骤S40：针对三相爪极步进电机的机械结构以及磁路特性，建立适用于三相爪极步进电机的电机模型，以优化的FOC算法对三相爪极步进电机的运行状态进行估算。

本实施例针对三相爪极步进电机的应用需求，提出了一种适配FOC和三相爪极步进电机的驱动策略，在三相爪极步进电机启动时，通过开环强拖控制对三相爪极步进电机的转速进行提升；在转速提升过程中启动控制器的内部估算器对三相爪极步进电机的当前转速进行估算；当三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制三相爪极步进电机由强拖控制切入闭环控制。在保证其位置精度的同时将FOC算法的优点也尽可能的发挥。

参考图4，图4为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的流程示意图。

基于上述第一实施例，在本实施例中，为了通过FOC算法对三相爪极步进电机进行优化，以使三相爪极步进电机适配三相爪极步进电机驱动方法，所述优化步骤，可以包括：

步骤S101：采集三相爪极步进电机的三相的相电流。

需要说明的是，相电流是指流经电机的各个电相（相位）的电流。在交流电机中，电流的流动是通过电机的定子绕组和/或转子上的导体完成的。

在具体实现中，将U、V、W三相的相电流分别记为Ia、Ib、Ic。

步骤S102：将采集到的相电流转换为两相静态αβ坐标系下的αβ轴电流。

需要说明的是，将采集到的电流Ia、Ib、Ic进行clark变换，将三相静态坐标系下的电流转换为两相静态坐标系下的电流Ialpha、Ibeta。

可以理解的是，Clark变换是一种用于电力系统中三相交流信号的坐标变换方法，Clark变换的主要目的是将三相坐标系中的信号转换为两相坐标系，这样更容易进行分析和处理。

步骤S103：将两相静态坐标系下的αβ轴电流转换为两相动态坐标系下的DQ轴电流。

需要说明的是，通过park变换将两相静态坐标系下的电流转换为两相动态坐标系下的电流Id、Iq。

应理解的是，Park变换，也被称为Park变换或dq0变换，是一种用于处理三相交流信号的坐标变换方法。Park变换的应用场景包括电机控制系统中的矢量控制（也称为dq控制），以及电力系统中的动态稳定性分析。在电机控制中，dq坐标系通常选择为转子坐标系，这有助于简化电机动态方程和提高控制系统的性能。在电力系统分析中，Park变换可以用于转换交流系统的方程，使其更容易进行分析和控制。

步骤S104：通过控制器对两相动态坐标系下的DQ轴电流进行PI调节，控制输出到三相爪极步进电机的三相电流的大小、幅值和相位。

需要说明的是，PI控制是一种常见的反馈控制算法，通常用于调节系统以使其达到期望的状态。PI代表比例-积分，这两个部分分别对应于控制器的两个主要组成部分，其中，比例控制输出与目标值之间的差异（误差）的大小。比例控制的作用是与误差成正比地调整控制器的输出。这有助于快速减小误差，但可能导致系统的超调。积分控制输出与目标值之间的累积误差。积分控制项的作用是消除系统稳态误差，确保长期稳定性。它对持续存在的小误差进行调整，但可能导致响应时间较慢。

应理解的是，在建立电机的模型时，不可以直接套用传统的FOC的那套理论模型，需要针对三相爪极步进电机进行针对性的改进。

在具体实现中，控制器对Id和Iq进行PI控制，控制三相电流。

步骤S105：同时将采集到的电流输入针对三相爪极步进电机进行过特别优化的电机模型，估算当前电机转子的角度。

需要说明的是，在建立电机运行模型时，需要用到电机的反电动势，与传统的PMSM电机不同，三相爪极步进电机因其特殊的轴向堆叠结构导致电机的相反电动势的生成仅有1/3的永磁体参与，因此，需要对估算器的建立进行特殊处理，保证建立的电机模型和真实情况相吻合。

步骤S106：当三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制，包括：当三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制三相爪极步进电机由强拖控制切入优化后的FOC算法进行闭环控制。

进一步的，根据估算器输出的角度对电机的DQ轴电流进行反park变换和反clark变换得到目标三相相电压；通过SVPWM对目标三相相电压进行斩波，以使三相爪极步进电机U、V、W三相的桥臂在同一时刻均导通，进而使三相爪极步进电机的三相电流波形处于预设范围。

需要说明的是，电机的DQ轴是在电机控制系统中使用的坐标系，用于简化电机动态方程和实现高性能的矢量控制。D轴通常与电机的磁场方向（磁通方向）对齐。在DQ坐标系中，D轴是与电机转子磁场相对应的轴。 Q轴与D轴垂直，形成一个正交坐标系。在电机控制中，Q轴通常与电机的转子电流方向对齐。

DQ坐标系的选择是为了使电机的动态方程更简化。在DQ坐标系中，电机的动态方程可以被分解为独立的D轴和Q轴方程，使得控制器更容易设计。

应理解的是，反park变换和反clark变换是与Park变换和Clark变换相对应的逆变换。它们用于将在固定坐标系（如dq坐标系）中的信号转换回到原始的三相坐标系（如abc坐标系）。

可理解的是，SVPWM（空间矢量脉宽调制）是一种用于交流电机驱动的高级PWM技术。它通过在空间矢量图中生成一个与电机矢量对应的目标矢量，然后通过调制方式生成PWM信号，从而实现对电机的高效控制。

在具体实现中，根据估算器输出的角度对DQ轴电流进行反park变换和反clark变换得到希望输出的三相相电压，最后通过SVPWM进行斩波，以实际控制电机的三相电流波形。

基于上述第一实施例，在本实施例中，为了通过所述三相爪极步进电机的转子所受到的六个磁矢量按照各自的矢量方向进行强拖换向，可以包括：

如图5所示，图5为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的导通状态图。U相上桥导通我们记为1，U相下桥导通我们记为0；V相和W相同理，将UVW三相的导通状态按顺序从左到右排列，如此其导通状态分为以下六种：100、110、010、011、001、101。

三相爪极步进电机包括U相、V相和W相；

当U相上桥导通记为1，当U相下桥导通记为0；

当V相上桥导通记为1，当V相下桥导通记为0；

当W相上桥导通记为1，当W相下桥导通记为0；

通过对U、V、W三相的导通状态顺序排列可得100、110、010、011、001以及101六种导通方式；

在三相爪极步进电机启动时，通过开环强拖控制对三相爪极步进电机的转速进行提升，包括：使用SVPWM的斩波方式，对U、V、W的三相进行斩波；通过斩波方式控制所述三相爪极步进电机的三相绕组生成电磁场的方向；在三相爪极步进电机启动时，利用电磁场的方向通过开环强拖控制对三相爪极步进电机的转速进行提升。

需要说明的是，通过对U、V、W三相的导通状态顺序排列确定驱动桥臂的导通方式；利用导通方式确定对应电磁场方向；在三相爪极步进电机启动时，利用电磁场方向通过开环强拖控制对三相爪极步进电机的转速进行提升。

如图6所示，图6为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第一导通状态图。其中U_up为高电频，U_down为低电频，N、S表示电机的磁场结构中的极性，N表示北极，S表示南极，U、V、W分别表示三相爪极步进电机的三相，此时导通状态为100，表示此时U相上桥导通，V相下桥导通，W相下桥导通。

如图7所示，图7为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第二导通状态图。此时导通状态为110，表示此时U相上桥导通，V相上桥导通，W相下桥导通。

如图8所示，图8为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第三导通状态图。此时导通状态为101，表示此时U相上桥导通，V相下桥导通，W相上桥导通。

如图9所示，图9为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第四导通状态图。此时导通状态为011，表示此时U相下桥导通，V相上桥导通，W相上桥导通。

如图10所示，图10为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第五导通状态图。此时导通状态为001，表示此时U相下桥导通，V相下桥导通，W相上桥导通。

如图11所示，图11为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的第六导通状态图。此时导通状态为101，表示此时U相上桥导通，V相下桥导通，W相上桥导通。

通过六种导通方式生成不同方向的电磁场。

如图12所示，图12为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的磁场分布图。通过不同的导通方式，可以生成不同方向的磁场，应注意三相爪极步进电机生成的电磁场在轴向空间中并没有相互之间耦合，而是在轴向上处于不同空间的三个位置。

需要说明的是，对永磁体的转子来说，其受到的径向力仍然可以进行矢量合成。

如图13所示，图13为本发明三相爪极步进电机驱动方法第二实施例的径向力分布图。V1为100导通状态时提供的径向力，V2为110导通状态时提供的径向力，V3为010导通状态时提供的径向力，V4为011导通状态时提供的径向力，V5为001导通状态时提供的径向力，V6为101导通状态时提供的径向力。

进一步地，在三相爪极步进电机启动时，通过三相爪极步进电机的转子所受到的三相绕组合成的磁矢量方向进行强拖换向，控制三相爪极步进电机的转速进行提升。

在具体实现中，通过图13中的六个径向力来对三相爪极步进电机的转子进行强拖换向。

本实施例通过对FOC算法进行针对性优化，使其适配于三相爪极步进电机，保证能够达到三相爪极步进电机对位置控制精度要求的同时提高电机的效率、降低发热、提高动态响应能力、保证在高速时的运行更加稳定，同时输出更大的转矩。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种三相爪极步进电机驱动方法，其特征在于，所述三相爪极步进电机驱动方法应用于三相爪极步进电机驱动系统，包括：

在三相爪极步进电机启动时，通过开环强拖控制对所述三相爪极步进电机的转速进行提升；

在转速提升过程中启动控制器的内部估算器对所述三相爪极步进电机的当前转速进行估算；

所述在转速提升过程中启动控制器的内部估算器对所述三相爪极步进电机的当前转速进行估算的步骤，包括：

所述三相爪极步进电机使用的是轴向堆叠的结构，三相位于同一轴线上，因此在针对电机的相电压建立电机模型时，需要引入另外两相绕组引起的互感，其中，所述三相爪极步进电机的轴向堆叠结构每一相的磁链为永磁体总磁链的1/3，故在建立电机模型时，需将所述永磁体总磁链的1/3也进行考虑；

通过所述电机模型，建立适用于所述三相爪极步进电机的估算器；

在运行的过程中，根据实时位置启动控制器内部的所述估算器对所述三相爪极步进电机的转子的实时位置进行估算；

通过所述三相爪极步进电机的转子的实时位置得到所述三相爪极步进电机的转速；

当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制；

所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入优化后的FOC算法进行闭环控制之后，包括：

根据估算器输出的角度对电机的DQ轴电流进行反park变换和反clark变换得到目标三相相电压；

通过SVPWM对所述目标三相相电压进行斩波，以使所述三相爪极步进电机U、V、W三相的桥臂在同一时刻均导通，进而使所述三相爪极步进电机的三相电流波形处于预设范围；

针对所述三相爪极步进电机的机械结构以及磁路特性，建立适用于所述三相爪极步进电机的电机模型，以优化的FOC算法对所述三相爪极步进电机的运行状态进行估算。

2.如权利要求1所述的三相爪极步进电机驱动方法，其特征在于，所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入闭环控制之后，还包括：

通过采集三相爪极步进电机的三相电流，输入估算器，通过所述估算器估算所述三相爪极步进电机的转子位置以及转速；

当所述三相爪极步进电机的运行转速降到预设阈值以下时，由闭环控制切入强拖运行控制。

3.如权利要求1所述的三相爪极步进电机驱动方法，其特征在于，所述三相爪极步进电机包括U相、V相和W相；当所述U相上桥导通记为1，当所述U相下桥导通记为0；当所述V相上桥导通记为1，当所述V相下桥导通记为0；当所述W相上桥导通记为1，当所述W相下桥导通记为0；

使用SVPWM的斩波方式，对U、V、W的三相进行斩波；

通过所述斩波方式控制所述三相爪极步进电机的三相绕组生成电磁场的方向；

在所述三相爪极步进电机启动时，利用所述电磁场的方向通过开环强拖控制对所述三相爪极步进电机的转速进行提升。

4.如权利要求3所述的三相爪极步进电机驱动方法，其特征在于，所述在三相爪极步进电机启动时，通过开环强拖控制对所述三相爪极步进电机的转速进行提升，包括：

在三相爪极步进电机启动时，通过所述三相爪极步进电机的转子所受到的三相绕组合成的磁矢量方向进行强拖换向，控制所述三相爪极步进电机的转速进行提升。

5.如权利要求1所述的三相爪极步进电机驱动方法，其特征在于，所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制之前，包括：

采集所述三相爪极步进电机的三相的相电流；

将采集到的所述相电流转换为两相静态αβ坐标系下的αβ轴电流；

将所述两相静态坐标系下的αβ轴电流转换为两相动态坐标系下的DQ轴电流；

通过控制器对所述两相动态坐标系下的DQ轴电流进行PI调节，控制输出到三相爪极步进电机的三相电流的大小、幅值和相位；

同时将采集到的电流输入针对三相爪极步进电机进行过特别优化的电机模型，估算当前电机转子的角度；

所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入FOC算法进行闭环控制，包括：

当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入优化后的FOC算法进行闭环控制。

6.如权利要求1~5任一项所述的三相爪极步进电机驱动方法，其特征在于，所述当所述三相爪极步进电机的当前转速达到预设阈值，控制所述三相爪极步进电机由强拖控制切入闭环控制之后，还包括：

当需要停止所述三相爪极步进电机时，根据输入的位置信号计算出所述三相爪极步进电机的目标位置；

通过控制器输入指向所述目标位置的磁矢量，以使所述三相爪极步进电机停在所述目标位置。

7.一种三相爪极步进电机驱动系统，其特征在于，所述三相爪极步进电机驱动系统应用于如权利要求1~6任一项所述的三相爪极步进电机驱动方法，包括：三相爪极步进电机、驱动单元、控制器和电源单元：

所述控制器分别与所述三相爪极步进电机和驱动单元连接，所述驱动单元与所述三相爪极步进电机连接，所述电源单元分别与所述控制器和所述驱动单元连接；

所述电源单元，用于输出电源电压为所述控制器以及所述驱动单元进行供电；

所述控制器，用于检测所述三相爪极步进电机的三相电参数，并基于所述三相电参数的频率以及幅值输出对应的驱动信号至所述驱动单元；

所述驱动单元，用于对所述三相爪极步进电机的目标三相相电压进行斩波；

所述驱动单元，还用于在接收到所述驱动信号时，驱动所述三相爪极步进电机按照所述驱动信号对应的运行参数运行。

8.如权利要求7所述的三相爪极步进电机驱动系统，其特征在于，所述三相爪极步进电机，包括一种梯形爪结构，其中，所述梯形爪结构的上底与下底的比例为预设大小，所述梯形爪结构的高为预设长度；

所述梯形爪结构，用于维持所述三相爪极步进电机达到预设保持转矩，并降低所述三相爪极步进电机的制动转矩。