[发明专利]用于步进电动机的负载转矩的无传感器检测以及用于优化驱动电流以进行有效操作的装置和方法

说明书

本发明提供了一种用于控制步进电动机中的驱动电流的方法，其包括：测量步进电动机电流；计算步进电动机的负载角度；计算步进电动机的转矩比率；根据转矩比率和步进电动机的最大电流设置生成参考电流；以及根据参考电流设置步进电动机的驱动电流。

背景技术

本发明涉及步进电动机的控制。更具体地，本发明涉及用于步进电动机的负载转矩的无传感器检测以及用于优化驱动电流以进行有效操作的装置和方法。

步进电动机用于位置控制并且被设计为以开环操作(无位置反馈)。其固有步进能力允许精确定位而无需反馈。

步进电动机通常以恒定电流运行，并且需要根据使用该步进电动机的应用的负载状况来调谐电流设置。电流设置的目的是使步进电动机尽可能凉爽地运行，同时确保在操作期间不跳过任何步长(打滑)。

在大多数情况下，步进电动机的电动机电流比实际电动机负载大得多，即电动机在具有过高的转矩储备的情况下进行操作。这导致过量的电流流过电动机绕组，从而导致电动机的不必要加热。为了达到提供足够转矩以避免打滑的最佳电流水平，使用基于试错法的多次尝试。一般来讲，在电流设置中提供安全裕度，使得等于电流设置的转矩(即，当等于电流设置的电流流过电动机时由电动机产生的转矩)充分大于负载转矩(即，电动机从负载经历的转矩)以避免打滑。

步进电动机的负载转矩曲线不总是平坦的，并且在某些情况下可具有峰值转矩。所使用的电流设置还取决于电动机转速，较高的转速需要较高的电流。如果电流被设置为补偿峰值负载转矩，则对于其他负载状况而言，电流可能过高。这导致较高的功耗和减小的效率。同样，电动机额定功率的选择将取决于峰值负载转矩曲线。

以开环控制步进电动机的一种已知方式被称为矢量控制并且在图1中示出。步进电动机10由两个线圈L_a(12)和L_b(14)组成，这些线圈由步进电动机驱动器16驱动。使用常规电流测量技术来测量在线圈L_a(12)和L_b(14)中流动的实际电流I_a和I_b，并且使用如附图标号18处指示的众所周知的派克变换基于施加角度θ将这些实际电流从固定域变换到d-q域中的计算电流I_d和I_q。如本领域中已知的，施加角度θ由“步进角度”模块20基于分别呈现给输入22和24的期望步长数和转速生成。

电流控制器26通过根据计算的电流I_d和I_q计算V_d和V_q来进行操作。参考电流I_{q_ref}始终设置为0并且参考电流I_{d_ref}基于最大预期负载转矩值来设置。然后通过在附图标号28处使用逆派克变换来计算电压V_a和V_b，将电压V_d和V_q变换到固定域中。脉冲宽度调制(PWM)模块30用于生成驱动信号，这些驱动信号通过步进电动机驱动器16施加计算电压V_a和V_b。步进电动机的转子以命令转速移动通过命令步长。如上所指示的，“步进角度”模块20基于由用户设置的步长和转速命令来生成施加角度θ。每个步长对应于90度的角度并且角度的变化率取决于转速。步进角度电路通过在时间上对转速输入24进行积分来生成角度θ输出。当达到对应于输入命令步长22的角度θ时，积分停止。角度θ与输入命令步长22之间的关系由下式给出：

θ＝(command_steps*π)/2

在附图标号18处，根据以下等式基于施加角度θ使用派克变换将实际电动机线圈电流变换到标记为d-q的旋转参考系中

I_d＝I_a cosθ+I_b sinθ

I_q＝-I_q sinθ+I_b*cosθ