一種固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到電機控制技術領域，具體涉及一種固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]步進電動機是一種將電脈沖信號轉化為相應角位移的執(zhí)行機構，其控制精度高，控制方式靈活方便，已廣泛應用在航天、航空、電子等領域。在非超載的情況下，電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和個數(shù)，而不受負載變化的影響。通過控制脈沖個數(shù)和脈沖頻率分別實現(xiàn)電機的定位和調(diào)速。
[0003]步進電機轉動時，當流經(jīng)電機線圈的電流超過額定電流時，電機會產(chǎn)生很高的溫升，有可能會燒毀電機;大電流易產(chǎn)生較大的電流畸變，導致電機轉矩脈動、噪聲加大，低速轉動時易產(chǎn)生振動失步及停止時的過沖現(xiàn)象，最終導致電機運行穩(wěn)定性和定位精度受到影響，故必須對電機電流進行控制。
[0004]傳統(tǒng)電機恒流驅(qū)動技術一般采用電流閉環(huán)方式實現(xiàn)，即將相電流大小作為控制量，其給定值與反饋值實時比較，其差值經(jīng)PID解算器或遲滯比較器，實時調(diào)整PWM占空比，達到調(diào)節(jié)電流目的。
[0005]圖1所示為傳統(tǒng)步進電機恒流驅(qū)動功能框圖，其功能單元包括:控制單元1、驅(qū)動電路2、功率電路3、電流傳感器4、保護電路5。
[0006]所述控制單元設于電路板上，用于實現(xiàn)步進電機恒流驅(qū)動控制功能，包括脈沖分配器7、PWM發(fā)生器8、A/D轉換9、PID解算器或遲滯比較器10以及邏輯運算器11組成。
[0007]所述脈沖分配器依據(jù)脈沖信號和方向信號，產(chǎn)生步進電機開環(huán)控制邏輯，其輸出端與邏輯運算器相連。
[0008]所述A/D轉換用于采樣電機繞組電流If，給定電流1與電機繞組電流If做差后，輸入PID解算器。
[0009]所述PID解算器或遲滯比較器根據(jù)輸入電流差值，實時解算HVM占空比，其輸出端與邏輯運算器相連。
[0010]所述邏輯運算器結合脈沖分配器輸出邏輯和PffM發(fā)生器發(fā)出的PWM信號，產(chǎn)生電機恒流驅(qū)動邏輯，其輸出端與驅(qū)動電路相連。
[0011]所述驅(qū)動電路，輸入端為控制單元，輸出端為功率電路，用于控制功率管的通斷。
[0012]所述功率電路，輸入端為驅(qū)動電路，輸出端為電機繞組，依據(jù)驅(qū)動邏輯實現(xiàn)對電機繞組電流的受控供電。
[0013]所述電流傳感器，輸入端為電機繞組，輸出端為保護電路和控制單元，用于將電機繞組電流轉換為電壓信號。
[0014]所述保護電路，輸入端為電流傳感器，輸出端為驅(qū)動電路，用于實現(xiàn)電機電流過流保護，當電機繞組電流超出限值則斷開功率管。
[0015]圖2所示為傳統(tǒng)步進電機恒流驅(qū)動原理圖，施加電壓在線圈繞組上，每拍控制中，若電機繞組電流I f超過電流給定值1，則通過減小PWM占比或關斷所加的電壓U，使電流減少;若電機繞組電流If低于所設定的電流1，則通過增大PWM占空比或打開所加的電壓U，使電流增加至所設定的電流值1，如此反復，使電機繞組電流恒定。
[0016]傳統(tǒng)步進電機恒流驅(qū)動的缺點在于:
[0017]1、大多采用模擬或數(shù)字電路實現(xiàn)，需要使用A/D轉換芯片采集電機繞組電流，硬件電路結構復雜；
[0018]2、每拍控制中，需要根據(jù)反饋電流大小實時解算P麗占空比，軟件靈活性差、復雜度高、可移植性和擴展性均較差。
[0019]因此，在滿足電流閉環(huán)需求的前提下，如何降低軟件設計復雜度、簡化硬件設計，成為亟待解決的技術問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明為了有效地解決【背景技術】中的問題，本發(fā)明給出了一種結構簡單、運算過程簡便、制造成本低并且利用固定占空比P麗信號對電機恒流驅(qū)動的固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)及方法。
[0021]本發(fā)明的具體技術方案是:
[0022]本發(fā)明提出了一種固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)，包括控制單元、驅(qū)動電路、功率電路、步進電機、電流傳感器以及保護電路;所述控制單元包括脈沖分配器、PffM發(fā)生器以及邏輯運算器;其改進之處是:控制單元還包括比較器，所述比較器包括輸入正端、輸入負端以及輸出端，輸入負端連接步進電機繞組電流給定值，輸入正端與電流傳感器連接用于接收步進電機繞組電流反饋值;輸出端與邏輯運算器相連。
[0023]上述PffM發(fā)生器接收外部輸入的固定占空比。
[0024]上述固定占空比為0.4?0.6，頻率為6?20kHz。
[0025]基于上述的固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)，現(xiàn)提出該系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:
[0026]I)設定步進電機繞組的電流給定值1，并將其輸入至比較器負端；
[0027]2)通過電流傳感器采集步進電機繞組的電流反饋值If，并將其發(fā)送至比較器正端；
[0028]3)通過比較器對步進電機繞組電流的電流反饋值I f與步進電機繞組的電流給定值1進行比較；當If>1時，比較器輸出高電平，否則輸出低電平；
[0029]在每拍控制中，當比較器輸出端為低電平時，邏輯運算器輸出信號為脈沖分配器輸出的控制邏輯信號；
[0030]當比較器輸出為高電平時，邏輯運算器輸出為脈沖分配器輸出的控制邏輯信號和PWM發(fā)生器輸出的PWM信號相與的結果;邏輯運算器檢測到比較器輸出的高電平之后，不再響應比較器輸出是否為高電平或者低電平，直到下一拍控制，再次響應比較器輸出。
[0031]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0032]1、采用比較單元替代傳統(tǒng)設計中的A/D轉換和PID解算器或遲滯比較器，省去了 A/D轉換和PID解算器或遲滯比較器所對應的軟、硬件資源，簡化了軟硬件設計；
[0033]2、PWM斬波占空比不再通過PID解算器或遲滯比較器實時解算，而采取固定輸入方式，PWM斬波占空比信號不進行周期更新，降低了 PWM發(fā)生器軟硬件設計復雜度；
[0034]3、每拍控制中，邏輯運算器通過讀取比較器輸出的離散量信號，進行驅(qū)動信號斬波選擇。當電機繞組電流小于給定電流時，不進行斬波；當檢測到電機繞組電流第一次超過給定電流時起，對電機繞組端施加固定占空比PWM斬波電壓，之后邏輯運算器不響應比較器輸出，直到下一拍控制，再次響應比較器輸出。該控制方法可以加大的簡化軟件設計，提高了系統(tǒng)可靠性。
【附圖說明】
[0035]圖1為傳統(tǒng)步進電機恒流驅(qū)動結構框圖；
[0036]圖2為傳統(tǒng)步進電機恒流驅(qū)動原理圖；
[0037]圖3為本發(fā)明步進電機恒流驅(qū)動結構框圖；
[0038]圖4為本發(fā)明步進電機恒流驅(qū)動原理圖。
【具體實施方式】
[0039]圖3所示為本發(fā)明步進電機恒流驅(qū)動結構框圖，本發(fā)明的一種固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)，包括控制單元1、驅(qū)動電路2、功率電路3、步進電機4、電流傳感器5、保護電路6;控制單元包括脈沖分配器7、PWM發(fā)生器10以及邏輯運算器11;該系統(tǒng)的改進之處是:控制單元還包括比較器12，所述比較器包括輸入正端、輸入負端以及輸出端，輸入負端用于輸入電機繞組電流給定值，輸入正端與電流傳感器連接用于接收電機繞組電流反饋值;輸出端與邏輯運算器相連；
[0040]該系統(tǒng)采用比較單元替代傳統(tǒng)設計中的A/D轉換和PID解算器或遲滯比較器，省去了 A/D轉換和PID解算器或遲滯比較器所對應的軟、硬件資源，簡化了軟硬件設計，使得系統(tǒng)結構簡化，運算過程簡單。
[0041]還需要說明的是:Pmi發(fā)生器接收外部輸入的固定占空比，該固定占空比為0.4?
0.6，頻率為6?20kHz。采用上述設計方式，降低了 PffM發(fā)生器軟硬件設計復雜度。
[0042]圖4所示為本發(fā)明步進電機恒流驅(qū)動原理圖，本發(fā)明的一種固定占空比步進電機恒流驅(qū)動方法，比較器工作包括以下步驟:
[0043]I)通過電流傳感器采集電機繞組電流的電流值If，并將結果輸入比較器正端；
[0044]2)設定電流給定值1，并將結果輸入比較器負端；
[0045]3)通過比較器比較電機繞組電流的電流值If與電流給定值1進行比較，當If > 10時，比較器輸出高電平，否則輸出低電平。
[0046]每拍控制中，邏輯運算器綜合脈沖分配器輸出、PWM發(fā)生器輸出和比較器輸出信號，進行如下邏輯運算:
[0047]I)當比較器輸出端為低電平時，邏輯運算器輸出為脈沖分配器輸出；
[0048]2)當比較器輸出端第一次為高電平之后，邏輯運算器輸出為脈沖分配器輸出和PWM發(fā)生器輸出相與的結果；
[0049]3)邏輯運算器檢測到比較器輸出的高電平之后，不再響應比較器輸出，直到下一拍控制，再次響應比較器輸出。
[0050]通過該方法可以看出，本方法在每拍控制中，邏輯運算器通過讀取比較器輸出的離散量信號，進行驅(qū)動信號斬波選擇。當步進電機繞組電流小于給定電流時，不進行斬波；當檢測到電機繞組電流第一次超過給定電流時起，對電機繞組端施加固定占空比PWM斬波電壓，之后邏輯運算器不響應比較器輸出，直到下一拍控制，再次響應比較器輸出。該控制方法可以簡化軟件設計，提高了系統(tǒng)可靠性。
【主權項】
1.一種固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)，包括控制單元、驅(qū)動電路、功率電路、步進電機、電流傳感器以及保護電路;所述控制單元包括脈沖分配器、PWM發(fā)生器以及邏輯運算器； 其特征在于:所述控制單元還包括比較器，所述比較器包括輸入正端、輸入負端以及輸出端，輸入負端連接步進電機繞組電流給定值，輸入正端與電流傳感器連接用于接收步進電機繞組電流反饋值;輸出端與邏輯運算器相連。2.根據(jù)權利要求1所述的固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于:所述P麗發(fā)生器接收外部輸入的固定占空比。3.根據(jù)權利要求1或2所述的固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于:所述固定占空比為0.4?0.6，頻率為6?20kHz。4.根據(jù)權利要求3所述的固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)的方法，包括以下步驟: 1)設定步進電機繞組的電流給定值1，并將其輸入至比較器負端； 2)通過電流傳感器采集步進電機繞組的電流反饋值If，并將其發(fā)送至比較器正端； 3)通過比較器對步進電機繞組電流的電流反饋值If與步進電機繞組的電流給定值Iο進行比較;當If>1時，比較器輸出高電平，否則輸出低電平； 在每拍控制中，當比較器輸出端為低電平時，邏輯運算器輸出信號為脈沖分配器輸出的控制邏輯信號； 當比較器輸出為高電平時，邏輯運算器輸出為脈沖分配器輸出的控制邏輯信號和PWM發(fā)生器輸出的PWM信號相與的結果;邏輯運算器檢測到比較器輸出的高電平之后，不再響應比較器輸出是否為高電平或者低電平，直到下一拍控制，再次響應比較器輸出。
【專利摘要】本發(fā)明涉及到電機控制技術領域，具體涉及一種固定占空比步進電機恒流驅(qū)動系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括控制單元、驅(qū)動電路、功率電路、步進電機、電流傳感器以及保護電路；所述控制單元包括脈沖分配器、PWM發(fā)生器以及邏輯運算器；其特征在于：所述控制單元還包括比較器，所述比較器包括輸入正端、輸入負端以及輸出端，輸入負端連接步進電機繞組電流給定值，輸入正端與電流傳感器連接用于接收步進電機繞組電流反饋值；輸出端與邏輯運算器相連。本發(fā)明的系統(tǒng)結構簡單、運算過程簡便、制造成本低，利用固定占空比PWM信號對電機恒流驅(qū)動，實現(xiàn)了電機的高性能控制。
【IPC分類】H02P8/12
【公開號】CN105553357
【申請?zhí)枴緾N201510920585
【發(fā)明人】呼明亮, 張楨, 車炯暉, 趙剛, 閆穩(wěn), 王凌偉
【申請人】中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術研究所
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月10日