单极性步进电机控制系统以及控制方法与流程

1.本发明属于步进电机控制技术领域，尤其是单极性步进电机控制系统以及控制方法。


背景技术：

2.单极性步进电机体积小、成本低、性能适中，利于产品的平台化和大规模产业化，广泛应用于工业、汽车、消费类电子等领域。此类步进电机若采用专门驱动器控制，则成本较高；目前采用的低成本控制方案，特别是面向低电压、小功率的场合，均为直接使用场效应管或者达林顿管来实现对其驱动控制。
3.单极性步进电机可以在不同的驱动方式下运行，常见的驱动方式有如下三种：单波驱动、全步驱动和半步驱动方式。其中单波驱动方式又称之为单四拍工作方式，该方式按固定次序依次驱动每一个线圈以达到使电机转动的目的；全步驱动方式又称之为双四拍工作方式，该方式按固定次序依次驱动两相线圈以达到使电机转动的目的；半步驱动方式又称之为八拍工作方式，该方式实际上是前两种方式的组合，以固定的次序依次激励一组或两组线圈以达到驱动电机的目的。
4.以上三种驱动方式均是对单极性步进电机的定子各相绕组按照一定的顺序(一步一步的)通以阶跃式的电流，然后产生一个步进式(一步阶跃)旋转的定子磁场，从而带动转子也步进式的旋转。该步进式旋转磁场直接造成电机输出电磁转矩波动较大，进而导致电机运行过程中震动和噪声均较大，尤其是在低速运行场合表现更为明显。
5.而且单极性步进接线方式一般采用公共端直接接电源正极，其余4根相线分别接场效应管或者达林顿管的输出端口，采用上述驱动方式输出电压均不可调节，导致无法驱动不同工作电压的单极性步进电机。
6.现有技术一种单极性步进电机输出电压可调型驱动器，202110466036.9，通过接入升压/降压电路，将升压/降压电路的输出端与单极性步进电机的公共抽头连接，再改变脉宽调制电路输出电流，以驱动不同工作电压的单极性步进电机。上述技术虽然通过增加升压/降压电路解决了电压不可调的问题，但是未能解决高细分而造成的震动和噪声较大问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出单极性步进电机控制系统以及控制方法，能够改善电磁转矩的波动，进而改善单极性步进电机震动和噪声，同时解决传统方法输出电压不可调整的问题。
8.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
9.单极性步进电机控制系统，包括单片机、达林顿管、供电电源和单极性步进电机，所述单片机输出四个pwm信号至达林顿管的四个输入端口，供电电源的正负极分别连接达林顿管对应的正负极；单极性步进电机包括绕组a、绕组b、绕组c、绕组d和公共端com，其中
绕组a连接达林顿管的out1端口，绕组b连接达林顿管的out2端口，绕组c连接达林顿管的out3端口，绕组d连接达林顿管的out4端口，公共端com连接供电电源的正极；绕组a和绕组b物理上连接为同一相，绕组c和绕组d物理上连接为另一相，同时绕组a和绕组b以及绕组c和绕组d可组成直角坐标系，并且将电压矢量分为四个扇区。
10.而且，所述电压矢量分的四个扇区分别为扇区ⅰ、扇区ⅱ、扇区ⅲ和扇区ⅳ，扇区的横轴正方向为ua，扇区的横轴负方向为ub，扇区的纵轴正方向为uc，扇区的纵轴负方向为ud。
11.一种单极性步进电机控制系统的控制方法，包括以下步骤：
12.步骤1、根据电压矢量以及矢量夹角的关系，计算基础电压矢量在四个扇区的作用时间；
13.步骤2、根据步骤1的作用时间以及spwm调制原理，得到单片机输出的4路pwm信号的占空比；
14.步骤3、单片机根据步骤2得到的4路pwm信号的占空比进行输出，改变单极性步进电机的输出电压。
15.而且，所述步骤1中扇区ⅰ的基本电压作用时间的基本电压作用时间扇区ⅱ基本电压作用时间扇区ⅲ基本电压作用时间扇区ⅳ基本电压作用时间
16.而且，所述步骤2的具体实现方法为：
17.根据产生频率和矢量夹角得到：
[0018][0019]
其中，θ为矢量夹角，k＝0,1,2,
…
,4*n―1，k为整数，n为细分值，设定n为不同数值，进行不同等级的细分；通过调整k的产生频率，即可实现单极性步进电机调速。
[0020]
取u
ref
为期望的输出电压值，得到：
[0021]
|us|＝u
ref
[0022]
取单片机所设置pwm开关频率的对应timer周期值为tr，则得到：
[0023]
ts＝tr[0024]
根据spwm调制原理，得到单片机输出的4路pwm信号的占空比，其中扇区ⅰ中pwm1的占空比为pwm3的占空比为扇区ⅱ中pwm2的占空比为pwm3的占空比为pwm3的占空比为扇区ⅲ中pwm2的占空比为，pwm4的占空比为，pwm4的占空比为扇区ⅳ中pwm1的占空比为pwm4的占空比为pwm4的占空比为
[0025]
本发明的优点和积极效果是：
[0026]
1、本发明借鉴永磁同步电机矢量控制的方法，通过将驱动电压细分，即等角度有规律的插入大小相等的电压合成矢量，减小合成磁势的角度(步距角)，使旋转的定子磁链接近圆滑，改善了电磁转矩的波动，进而改善单极性步进电机震动和噪声；同时通过调整电压合成矢量大小，实现调整输出到电机绕组两端电压的大小，从而解决传统方法输出电压不可调整的问题。
[0027]
2、本发明实现更高细分数的驱动信号驱动单极性步进电机，大大减小了步进电机的步距角，使电流更加接近正弦，从而减少了电机在工作中产生的震动和噪音；而且通过调整输出电压，可以实现匹配不同电压等级的电机。
[0028]
3、本发明相比于传统的控制方法，单极性步进电机的细分驱动方法特别适合于低成本场合，不仅能平稳且有效的驱动单极性步进电机，而且拓宽了单极性步进电机的转速范围，很好的改善了低、中速度下的运行效果，减少了电机震动和噪声，提高了客户使用的舒适度；同时输出可调节的功能，增加了产品的兼容性，可以适应不同电压等级的电机，便于平台化；
附图说明
[0029]
图1为本发明的硬件拓扑结构图；
[0030]
图2为本发明单极性步进电机的绕组示意图；
[0031]
图3为本发明形成的直角坐标系统示意图；
[0032]
图4为本发明直角坐标各扇区对应的有效绕组和基本电压矢量示意图。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0034]
单极性步进电机控制系统，如图1所示，包括单片机、达林顿管、供电电源和单极性步进电机，所述单片机输出四个pwm信号至达林顿管的四个输入端口，供电电源的正负极分别连接达林顿管对应的正负极；单极性步进电机包括绕组a、绕组b、绕组c、绕组d和公共端com，其中绕组a连接达林顿管的out1端口，绕组b连接达林顿管的out2端口，绕组c连接达林顿管的out3端口，绕组d连接达林顿管的out4端口，公共端com连接供电电源的正极；绕组a和绕组b物理上连接为同一相，绕组c和绕组d物理上连接为另一相，同时绕组a和绕组b以及绕组c和绕组d可组成直角坐标系，并且将电压矢量分为四个扇区。
[0035]
如图3所示，电压矢量分的四个扇区分别为扇区ⅰ、扇区ⅱ、扇区ⅲ和扇区ⅳ，扇区的横轴正方向为ua，扇区的横轴负方向为ub，扇区的纵轴正方向为uc，扇区的纵轴负方向为ud。
[0036]
一种单极性步进电机控制系统的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
[0037]
步骤1、根据电压矢量以及矢量夹角的关系，计算基础电压矢量在四个扇区的作用时间。
[0038]
本步骤的具体实现方法为：
[0039]
以扇区ⅰ为例，电压矢量us由基础电压矢量ua、uc和u0合成，根据平均值等效原理得到：
[0040]us
*ts＝ua*ta+uc*tc[0041]
其中，ts为电压矢量us的作用时间，ta为基础电压矢量ua的作用时间，tc为基础电压矢量uc的作用时间。
[0042]
根据正弦定理得到：
[0043][0044][0045]
其中θ为电压矢量us的矢量夹角。
[0046]
由于：
[0047]
|ua|＝|uc|＝u
dc
[0048]
得到：
[0049][0050][0051]
根据上述计算方法对扇区ⅱ、扇区ⅲ和扇区ⅳ进行计算，得到基本电压作用时间：
[0052][0053][0054]
步骤2、根据步骤1的作用时间以及spwm调制原理，得到单片机输出的4路pwm信号的占空比。
[0055]
根据产生频率和矢量夹角得到：
[0056][0057]
其中，θ为矢量夹角，k＝0,1,2,
…
,4*n-1，k为整数，n为细分值，设定n为不同数值，进行不同等级的细分，如n设定为32，即可实现32细分；通过调整k的产生频率，即可实现单极性步进电机调速。
[0058]
取u
ref
为期望的输出电压值，得到：
[0059]
|us|＝u
ref
[0060]
取单片机所设置pwm开关频率的对应timer周期值为tr，则得到：
[0061]
ts＝tr[0062]
根据spwm调制原理，得到单片机输出的4路pwm信号的占空比：
[0063][0064]
步骤3、单片机根据步骤2得到的4路pwm信号的占空比进行输出，改变单极性步进电机的输出电压。
[0065]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。