專利名稱：一種步進電機的恒轉矩驅動方法及其驅動電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種步進電機的恒轉矩驅動方法及驅動電路，屬于步進電機驅動技術領域。
背景技術：
步進電機是一種將離散的電脈沖信號轉化成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，它具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點，已經在當今工業(yè)上得到廣泛的應用。但是由于步進電機的步距角較大，一般為1.5° -3°，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實現(xiàn)步進電機的細分驅動，是減小步距角、提高步進分辨率、增加電機支行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。但傳統(tǒng)的步進電機驅動方法存在驅動電壓低、轉矩不恒定、噪音大等不足。

發(fā)明內容
本發(fā)明主要目的在于解決上述問題和不足，提供一種轉矩恒定、電機運轉平穩(wěn)、噪音低的步進電機驅動方法。本發(fā)明的另一個主要目的在于，提供一種轉矩恒定、電機運轉平穩(wěn)、噪音低的步進電機驅動電路。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是—種步進電機的恒轉矩驅動方法，采用電流閉環(huán)控制方式，具體包括如下步驟(I)將步進電機的脈沖及方向控制信號輸入給單片機控制單元；(2)單片機控制單元通過檢測與放大電路獲得在步進電機繞組上流過的電流大小，并將此檢測電流與預先通過單片機控制單元的控制算法計算出的標準電流值相比較；(3)通過檢測電流值和當前位置的標準電流值比較的差值控制與電機繞組連接的驅動電路，并輸出該相繞組的調制波形，進而控制步進電機繞組上的電流的大小，使步進電機繞組上的電流為恒定值。其中，如果單片機控制單元收到下一步的脈沖信號以后，則調整電流標準值，使得當前流過繞組的電流調制為新的標準值。在上述步驟(3)中，所述驅動電路為H橋驅動電路，功率管SWl和SW3分別連接于輸入電壓與一相繞組的兩個端點之間的上橋臂上，功率管SW2和SW4分別連接于參考電位與該相繞組的兩個端點之間的下橋臂上，每個功率管SW1、SW2、Sff3, SW4再并聯(lián)一個續(xù)流二極管VDl、VD2、VD3、VD4，通過調整所述功率管SWl、Sff2, Sff3, SW4和續(xù)流二極管VDl、VD2、VD3、VD4對所述繞組的充放電及續(xù)流方式，使電機繞組上的電流為恒定值。 在電流上升階段，采用直流電源在步進電機繞組上直通的方式，使繞組電流迅速上升，上升到額定值時，采用功率管SW1、SW2、Sff3, SW4與續(xù)流二極管VD1、VD2、VD3、VD4配合的續(xù)流方式，使每相繞組上的電流保持恒定。
在電流下降階段，采用混合降低的方式，首先采用位于H橋驅動電路上橋臂的功率管SW1、SW3關閉而功率管SW2、SW4導通的組合方式，使電流快速降低，降低至額定值時，再采用四個功率管SWl、SW2、SW3、SW4均關閉的組合方式，使電流慢速降低，保持電流恒定。一種步進電機的恒轉矩驅動電路，包括
單片機控制單元，與輸入的脈沖、方向控制信號連接，通過檢測步進電機的輸入信號控制步進電機的運轉；邏輯電路，與單片機控制單元的輸出端連接，用于隔離和提高電路的驅動能力；檢測與放大電路，連接于繞組的輸出端與單片機控制單元之間，用于實時反饋步進電機繞組流過的電流值；驅動電路，與所述邏輯電路的信號輸出端連接，控制電機繞組上的電流保持恒定，進而驅動步進電機恒轉矩運轉及控制步進電機的運轉方向。其中，所述驅動電路為H橋驅動電路，功率管SWl和SW3分別連接于輸入電壓與一相繞組的兩個端點之間的上橋臂上，功率管SW2和SW4分別連接于參考電位與該相繞組的兩個端點之間的下橋臂上，每個功率管SW1、SW2、SW3、SW4再并聯(lián)一個續(xù)流二極管VD1、VD2、VD3、VD4，功率管SW1、SW2、Sff3, SW4分別與所述邏輯電路的信號輸出端連接。所述單片機控制單元為DSP或為PS0C。所述步進電機的輸入電壓為110V。綜上內容，本發(fā)明所述的步進電機的恒轉矩驅動方法及其驅動電路，在選擇了合理的電流波形的基礎上，基于單片機控制步進電機恒轉矩細分驅動。該控制方法和電路實現(xiàn)電流閉環(huán)控制，并通過周期性的控制電機勵磁線圈充放電及續(xù)流方式周期性的控制勵磁線圈的電流變化，保證驅動電機高速平穩(wěn)運行。該方法具有輸入電壓高、轉矩恒定、轉動速度快、轉矩波動小、運行功耗小,可靠性高，通用性好、有效降低電磁噪音等優(yōu)點，恒轉矩可保證電機在運行過程中更平穩(wěn)，沒有抖動，特別適合在定位精度要求較高的機械設備上使用。該控制方法和電路可以適用于兩相和三相步進電機。


圖I本發(fā)明驅動電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述本實施例以兩相步進電機為例，進行詳細說明。如圖I所示，一種步進電機的恒轉矩驅動電路，包括單片機控制單元、邏輯電路、檢測與放大電路及驅動電路。其中，單片機控制單元與輸入的脈沖、方向控制信號連接，通過檢測步進電機的脈沖及方向輸入信號來相應地控制步進電機的運行情況，其中，方向信號表示的是步進電機運行方向，脈沖信號可以告訴單片機控制單元得到一個脈沖以后即控制電機走一步。 在單片機控制單元中實現(xiàn)的控制算法，可以根據(jù)電機的總電流計算出各相繞組的細分電流的標準值。單片機控制單元為DSP或為PS0C，其中，DSP的型號為56F8013，PSOC的型號為CY8C27543。邏輯電路與單片機控制單元的輸出端連接，邏輯電路可以起到較好的隔離作用，減少驅動電路中的開關開閉時對單片機的干擾，同時，由于單片機的驅動能力較弱，邏輯電路還可以提聞電路的驅動能力檢測與放大電路在電機每相繞組(AC和BD)的輸出端與單片機控制單元之間都連接檢測與放大電路，在電機每相繞組(AC和BD)的輸出端與參考電位之間連接一采樣電阻Re，檢測與放大電路實時采樣繞組電流，實時向單片機控制單元反饋步進電機AC繞組和BD繞組流過的電流值，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制，單片機控制單元將檢測到的電流值與當前位置的標準電流值比較，進而控制每相繞組上電流的大小。驅動電路為H橋驅動電路，每相電機繞組的輸出端均連接有H橋驅動電路，由邏輯電路控制，用于控制電機繞組上的電流保持恒定，進而驅動步進電機恒轉矩運轉及控制步進電機的運轉方向。H橋驅動電路包括四個功率管SWl、SW2、SW3、SW4及四個續(xù)流二極管VDI、VD2、VD3、VD4,功率管SW1、Sff2, Sff3, SW4分別與邏輯電路的輸出端連接。功率管SWl連接于輸入電壓與繞組的A(B)點之間的上橋臂上，功率管SW2連接于繞組的A(B)點與參考電位之間的下橋臂上，功率管SW3連接于輸入電壓與繞組的C(D)點之間的上橋臂上，功率管SW4連接于繞組的C(D)點與參考電位之間的下橋臂上。在輸入電壓與功率管SWl的輸出端之間并聯(lián)一續(xù)流二組管VD1，在輸入電壓與功率管SW3的輸出端之間并聯(lián)一續(xù)流二組管VD3，在參考電位與功率管SW2的輸入端之間并聯(lián)一續(xù)流二組管VD2，在參考電位與功率管SW4的輸入端之間并聯(lián)一續(xù)流二組管VD4。功率管SWl和SW4和續(xù)流二極管VDl和VD4，控制步進電機正轉電流；功率管SW3和SW2和續(xù)流二極管VD3和VD2，控制步進電機反轉電流。本發(fā)明所述的步進電機的恒轉矩驅動方法，采用電流閉環(huán)控制方式，具體包括如下步驟(I)將步進電機的脈沖及方向控制信號輸入給DSP或為PSOC單片機控制單元。(2)單片機控制單元通過檢測與放大電路獲得在步進電機繞組上流過的電流大小，并將此檢測電流與預先通過單片機控制單元的控制算法計算出的標準電流值相比較。如果單片機控制單元收到下一步的脈沖信號以后，則調整電流標準值，使得當前流過繞組的電流調制為新的標準值。(3)通過檢測電流值和當前位置的標準電流值比較的差值輸出PWM信號，控制驅動電路中四個功率管SW1、Sff2, Sff3, SW4的關閉和導通，并輸出該相繞組的調制波形，通過調整所述功率管SW1、SW2、Sff3, SW4和續(xù)流二極管對所述繞組的充放電及續(xù)流方式，進而控制步進電機繞組上的電流的大小，使步進電機繞組上的電流為恒定值。電流的穩(wěn)定控制可以保證輸出轉矩的穩(wěn)定，而電機控制中頻繁的換相使電流的波形起伏較大，本發(fā)明根據(jù)功率控制管和二極管對電機繞組的充放電特點及續(xù)流方式，使電機兩相合成電流為恒定值，從而保證電機平穩(wěn)運轉。步進電機每相繞組電流的輸出波形為正弦波形，在電流上升階段，單片機控制單元控制功率管SWl和SW4導通，此時，直流電源在步進電機繞組上直通，步進電機正轉，使繞組電流迅速上升，上升到額定值時，控制功率管SWl和SW4關閉，相應的續(xù)流二極管VDl和VD4起作用，使每相繞組上的電流保持恒定。
在電流下降階段，采用混合降低的方式，首先控制功率管SWl關閉而功率管SW4導通的組合方式，使電流快速降低，降低至額定值時，再控制功率管SW1、SW4均關閉的組合方式，使電流慢速降低，保持繞組上的電流恒定?；旌夏Ｊ娇杉骖欕娏骷y波及電機高速旋轉時的電流波形，使電機平穩(wěn)低噪聲高速運轉。相反，當步進電機反轉時，在電流上升階段，單片機控制單元號控制功率管SW3和SW2導通，使繞組電流迅速上升，上升到額定值時，控制功率管SW3和SW2關閉，相應的續(xù)流二極管VD3和VD2起作用，使每相繞組上的電流保持恒定。在電流下降階段，首先控制功率管SW3關閉而功率管SW2導通的組合方式，使電流快速降低，降低至額定值時，再控制功率管SW3、SW2均關閉的組合方式，使電流慢速降低，保持繞組上的電流恒定。為保證步進電機運轉更加平穩(wěn)，本實施例將步進電機的輸入電壓提高至110V。如上所述，結合附圖所給出的方案內容，可以衍生出類似的技術方案。但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種步進電機的恒轉矩驅動方法，其特征在于，該方法采用電流閉環(huán)控制方式，具體包括如下步驟 (1)將步進電機的脈沖及方向控制信號輸入給單片機控制單元； (2)單片機控制單元通過檢測與放大電路獲得在步進電機繞組上流過的電流大小，并將此檢測電流與預先通過單片機控制單元的控制算法計算出的標準電流值相比較； (3)通過檢測電流值和當前位置的標準電流值比較的差值控制與電機繞組連接的驅動電路，并輸出該相繞組的調制波形，進而控制步進電機繞組上的電流的大小，使步進電機繞組上的電流為恒定值。
2.根據(jù)權利要求I所述的步進電機的恒轉矩驅動方法，其特征在于如果單片機控制單元收到下一步的脈沖信號以后，則調整電流標準值，使得當前流過繞組的電流調制為新的標準值。
3.根據(jù)權利要求I所述的步進電機的恒轉矩驅動方法，其特征在于在上述步驟(3)中，所述驅動電路為H橋驅動電路，功率管SWl和SW3分別連接于輸入電壓與一相繞組的兩個端點之間的上橋臂上，功率管SW2和SW4分別連接于參考電位與該相繞組的兩個端點之間的下橋臂上，每個功率管SW1、Sff2, Sff3, SW4再并聯(lián)一個續(xù)流二極管VD1、VD2、VD3、VD4，通過調整所述功率管SW1、SW2、Sff3, SW4和續(xù)流二極管VD1、VD2、VD3、VD4對所述繞組的充放電及續(xù)流方式，使電機繞組上的電流為恒定值。
4.根據(jù)權利要求3所述的步進電機的恒轉矩驅動方法，其特征在于在電流上升階段，采用直流電源在步進電機繞組上直通的方式，使繞組電流迅速上升，上升到額定值時，采用功率管SW1、SW2、SW3、SW4與續(xù)流二極管VD1、VD2、VD3、VD4配合的續(xù)流方式，使每相繞組上的電流保持恒定。
5.根據(jù)權利要求3所述的步進電機的恒轉矩驅動方法，其特征在于在電流下降階段，采用混合降低的方式，首先采用位于H橋驅動電路上橋臂的功率管SW1、SW3關閉而功率管Sff2, SW4導通的組合方式，使電流快速降低，降低至額定值時，再采用四個功率管SW1、SW2、Sff3, SW4均關閉的組合方式，使電流慢速降低，保持電流恒定。
6.一種步進電機的恒轉矩驅動電路，其特征在于包括 單片機控制單元，與輸入的脈沖、方向控制信號連接，通過檢測步進電機的輸入信號控制步進電機的運轉； 邏輯電路，與單片機控制單元的輸出端連接，用于隔離和提高電路的驅動能力； 檢測與放大電路，連接于繞組的輸出端與單片機控制單元之間，用于實時反饋步進電機繞組流過的電流值； 驅動電路，與所述邏輯電路的信號輸出端連接，控制電機繞組上的電流保持恒定，進而驅動步進電機恒轉矩運轉及控制步進電機的運轉方向。
7.根據(jù)權利要求6所述的步進電機的恒轉矩驅動電路，其特征在于所述驅動電路為H橋驅動電路，功率管SWl和SW3分別連接于輸入電壓與一相繞組的兩個端點之間的上橋臂上，功率管SW2和SW4分別連接于參考電位與該相繞組的兩個端點之間的下橋臂上，每個功率管 SWl、Sff2, Sff3, SW4 再并聯(lián)一個續(xù)流二極管 VD1、VD2、VD3、VD4,功率管 SWl、Sff2, Sff3,SW4分別與所述邏輯電路的信號輸出端連接。
8.根據(jù)權利要求6所述的步進電機的恒轉矩驅動電路，其特征在于所述單片機控制單元為DSP或為PSOC。
9.根據(jù)權利要求6所述的步進電機的恒轉矩驅動電路，其特征在于所述步進電機的輸入電壓為110V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種步進電機的恒轉矩驅動方法及其驅動電路，采用電流閉環(huán)控制方式，首先將步進電機的脈沖及方向控制信號輸入給單片機控制單元，單片機控制單元通過檢測與放大電路獲得在步進電機繞組上流過的電流大小，并將此檢測電流與預先通過單片機控制單元的控制算法計算出的標準電流值相比較，根據(jù)比較的差值控制驅動電路，并輸出該相繞組的調制波形，進而控制步進電機繞組上的電流的大小，使步進電機繞組上的電流為恒定值。本發(fā)明通過周期性的控制電機勵磁線圈充放電及續(xù)流方式周期性的控制勵磁線圈的電流變化，保證驅動電機高速平穩(wěn)運行，具有輸入電壓高、轉矩恒定、轉動速度快、轉矩波動小、運行功耗小、有效降低電磁噪音等優(yōu)點。
文檔編號H02P8/12GK102624307SQ201110028798
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權日2011年1月26日
發(fā)明者劉美堂, 張勇, 張永利 申請人:山東朗進科技股份有限公司