[发明专利]低损耗混合式步进电机驱动控制方法及电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种低损耗混合式步进电机驱动控制方法及电路。 

背景技术

混合式步进电机转子上采用永磁体励磁，电机工作时具有输出转矩大、效率高等优点，广泛应用于数控机床、雕刻机、绣花机、医疗器械等要求精确位置控制场合。目前混合式步进电机多采用微步控制方法降低转子旋转步距角，提高转子低速低细分时的旋转平稳性。微步控制采用绕组电流闭环结构，电流幅值恒定，相位受外部脉冲控制微步增加，从而在定子气隙中产生一些列幅值恒定、相位离散的电流矢量，驱动转子微步旋转。无论负载轻重，电流幅值总是控制在电机额定峰值水平，这样在电机轻载时绕组中流过很大的无功电流，产生三方面的缺点：1）很大的无功电流在定子绕组电阻上产生很大的铜损耗，绕组发热严重；2）很大的无功电流产生很大的电枢反应，使得气隙磁场急剧饱和，电机铁心损耗明显增大，铁心发热严重；3）很大的无功电流流过驱动器功率管，增大了功率管的开关损耗。以上三方面降低了驱动系统的工作效率。要求，定子绕组电流幅值随负载大小变化而自动调节，最大限度地减小电流的无功分量。 

    众所周知，采用矢量定向控制可以同时控制电机绕组电流有功和无功分量，将无功分量控制到最小，而有功分量取决于负载转矩大小，这种系统非常便于实现绕组电流最小控制。但该控制策略需要同轴安装检测转子位置的传感器，提高了步进电机驱动控制系统的成本；同时位置传感器与驱动控制硬件之间的连接导线也降低了驱动系统的可靠性。而且，矢量定向控制算法复杂，需要占用CPU的更多资源。 

    混合式步进电机采用微步控制，硬件结构简洁，软件算法简单，驱动系统成本低，符合混合式步进电机低成本发展趋势。在微步控制策略中实现绕组电流最小，很有意义。 

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种低损耗混合式步进电机驱动控制方法，能有效降低驱动控制系统的发热。 

本发明采用以下技术方案实现：一种低损耗混合式步进电机驱动控制方法，其特征在于：根据混合式步进电机微步控制系统已存在的绕组反馈电流 、和绕组给定电压、，估计出电磁转矩，然后进一步计算出转子同步旋转坐标系下的q轴电流及由绕组电压闭环给出的d轴电流；根据d、q轴电流计算出电流幅值，进而利用电流闭环实现绕组电流随负载大小变化而自动调节，最大限度地减小电流的无功分量。 

本发明的方法适用于两相或多相混合式步进电机，在一较佳实施例子中其实现步骤如下： 

（1）电机输入脉冲送入一电流给定相位角发生器得到电流给定相位角；

（2）将所述同时送给余弦和正弦信号发生器，得到余弦和正弦信号、；

（3）利用、分别与计算得到的绕组给定电流幅值相乘得到两绕组电流给定值、，即、；

（4）计算电流误差，，并通过PI调节器得到绕组电压给定、，，，其中：，，；

（5）、通过脉宽调制及功率管驱动得到控制逆变桥中功率管开关控制信号，实现绕组电流闭环控制；

上述步骤（3）中，绕组给定电流幅值由如下步骤得到：

（3.1）通过电流传感器以及相应的信号处理电路从逆变桥电路中测得所述的绕组反馈电流、；

（3.2）将、及、送入磁链估计器，得到磁链、，，，其中为绕组电阻；

（3.3）将、及、送入转矩估计器中，得到转矩，，其中：为转子齿数；

（3.4）将送入q轴电流计算单元，得到q轴电流给定，，其中：为转子磁链；

（3.5）将、送给电流幅值给定计算环节，得到电流幅值预给定值，；

（3.6）将、送入电流幅值限幅环节输出电流幅值给定值，若，则，反之，，其中：一般取定子绕组额定峰值电流；

在上述的步骤（3.5）中，d轴电流给定值由如下步骤得到：

（3.5.1）根据直流母线电压，计算绕组电压幅值给定，对于两相电机：=，对于三相电机：=；

（3.5.2）根据、计算出实际绕组电压幅值，；

（3.5.3）、经过PI调节器，得到d轴电流预给定值，，其中：，，；

（3.5.4）将、、送给d轴电流限幅环节，得到d轴电流给定，当时，，当时， ，其中：取定子绕组额定峰值电流；取10%。

对于三相混合式步进电机，需通过电流传感器以及相应的信号处理电路从逆变桥电路中测得电机三相中任意两相电流 、，采用3/2坐标变换计算、如下： 

，；