[发明专利]一种电流矢量恒幅控制的步进电机细分驱动装置

说明书

技术领域

本发明涉及步进电机技术领域，具体地，涉及一种电流矢量恒幅控制的步进电机细分驱动装置。

背景技术

步进电机是一种作为控制用的特种电机，是把数字量转化为角位移的电气传动器件，它的运转与控制脉冲同步，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。步进电机由于高精度的定位控制、位置及速度控制简便、步距误差无累积等优点，在低负载、低速度的工业控制中应用十分广泛。它被广泛运用于数控机床、自动化生产线、工业仪器仪表、计算机设备等领域中，成为不可或缺的重要电机组件。但是，步进电机的运行不能由普通的交直流电源供电，需要专用的驱动设备，所以步进电机的性能很大程度上取决于其驱动系统性能的优劣。

目前，市场上的步进电机驱动器大多是由单片机和分立元件组成，系统集成度低，抗干扰能力差，步距角分辨率不高，导致步进电机定位精度不高，存在失步和振荡两个问题，制约了步进电机的应用。对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。

步进电机细分驱动技术是20世纪70年代中期发展起来的，它是一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的20多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。

步进电机驱动器作为一种电力电子器件，对它的控制实时性要求很高，因此微主控单元的高速发展，是推动步进电机驱动器发展的一个重要因素。基于单片机实现步进电机控制是目前重要的一种手段。步进电机本身就是离散型自动化执行元件，所以它特别适合采用单片机及嵌入式系统控制。同专用相比，单片机有更大的灵活性，更易实现复杂的控制策略。随着微主控单元技术的飞速发展以及单片机的性价比得提高，利用单片机实现步进电机控制己经非常普遍。

传统的恒流斩波驱动电路通过电阻对电机绕组上电流采样得到相应的电压信号，与给定电压比较输出高低电平控制开关管的导通与关断，这样确保绕组电流在给定值附近较小范围内反复震荡，其平均值稳定在给定值上。尽管在斩波驱动下绕组电流恒定，转矩输出均匀。但是由于电流波形时锯齿形，这种驱动方式会产生较大的电磁噪声，而且由于比较操作无法控制与门输出斩波频率，过高的变化频率会增大开关管的开关损耗，影响其使用寿命。

电流滞环控制技术将恒流斩波驱动中的电流给定由一个恒定的值转化为由电压量模拟的正弦阶梯波，将它与实际检测得到的电机电流信号进行比较，再经滞环比较单元去导通或关断逆变器的相应开关器件，使实际电流跟踪给定电流的变化。这种方法减小了步距角，提高了分辨率，但电机转速在升降时开关频率变换产生的电磁噪声同样存在。

固定开关频率型电流控制则是将给定正弦电流信号与实测的电流信号的误差，经电流调节器处理后再与一个固定频率的三角波信号相比较而产生PWM波。其占空比受经电流调节器处理后的误差信号的控制，PWM波的频率即为三角载波的频率。其中电流调节器应具有比例或比例积分的作用，以调整电流误差信号使电机电流大小和相位的误差最小。由于固定开关频率型在电磁噪声和输出电流谐波方面具有很大优势。因此成为目前以单片机作为主控芯片的正弦电流细分模拟控制方式。

但是，单片机受计算速度与精度局限，当采用细分控制时，细分数不能达到很高，低频下噪声大，电机易抖动，正常运行下温升也大。另外，为弥补单片机运算速度劣势，通常采用模拟比较单元构成的调节器，其参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象的变化适应能力差；而且模拟主控单元也很难实现高级的控制策略和控制方法，检测精度不高，控制精度差；还有用模拟器件构成的控制电路集成度不高，硬件设计复杂可靠性低，可重复性差。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在可调性差、控制精度低、可靠性低与可重复性差等缺陷。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种电流矢量恒幅控制的步进电机细分驱动装置，以实现可调性好、控制精度高、可靠性高与可重复性好的优点。