[发明专利]一种步进电机细分控制系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种步进电机细分控制系统及其控制方法，所述系统包含：依次连接的FPGA、功率驱动芯片、两相步进电机和谐波减速器；其中，FPGA中包含，比较器模块；正余弦信号模块，输出正余弦信号至比较器模块；锯齿波信号模块，输出锯齿波信号至比较器模块；所述比较器模块对所述正余弦信号和所述锯齿波信号进行比较，输出PWM信号，PWM信号的占空比按正余弦信号的规律变化。本发明提供的步进电机细分控制方法，删去了传统步进电机控制方案中的D/A转换电路，直接通过数字信号比较的方式产生PWM信号驱动步进电机转动，降低工程成本，提高系统可靠性。

技术领域

本发明涉及步进电机技术领域，具体涉及一种步进电机细分控制系统及其控制方法。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种由脉冲个数控制转动角度，脉冲频率控制转动速度的电机类型。其优点是控制原理简单、可直接实现数字控制、机械结构坚固耐用等，但其缺点是步距角固定，通常磁阻式步进电机的步距角为0.36°～7.5°，定位误差较大。为了提高步进电机定位精度，通常采用细分驱动方案，即通过软件算法的方式细分步距角，提高步进电机定位精度。除此之外细分方法还能减少步进电机低频振动和失步等现象，有效提升步进电机的应用性能。

在某些需要高精度定位的领域，如星载微波雷达中天线指向精度常常要求达到角分级，甚至角秒级。此时步进电机必须通过细分控制再加减速器的组合才能达到如此高的精度。以两相步进电机为例，目前常用的细分控制方案是首先通过数字控制器产生数字正余弦信号，然后通过D/A转换器将数字信号转换成模拟正余弦信号并与步进电机两相绕组电流进行比较产生PWM信号，PWM信号经过功率放大电路加载到电机两相绕组上，使一相绕组电流按照正弦规律变化，另一相绕组电流按照余弦规律变化，从而形成圆形转动的磁场，带动步进电机转子转动。此方案的缺陷在于：(1)电机转动过程中绕组电流存在较多毛刺，与正余弦信号比较时PWM信号频繁跳变从而使功率放大电路频繁开关，增大了三级管开关损耗和失效风险，并且绕组电流逼近正余弦曲线的误差也较大，电机转动平稳性降低；(2)D/A转换电路的存在既增加了成本，同时还增加了一个失效环节，特别是在卫星这种要求高可靠性的场景，减少一个串联环节可以更好地保障系统可靠性。

针对步进电机的细分控制方法，目前国内专利CN207588746U(步进电机细分控制电路)介绍了一种步进电机细分控制电路，包括控制器、环形分配器、DAC转换器(数模转换器，将数字信号转换为模拟值)、比较斩波器、PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)合成电路、功率驱动电路。该专利采用细分数字信号DAC转换成模拟信号后进行比较斩波的方式生成PWM信号。而本发明直接采用数字比较产生PWM信号，和本发明方法不同。

专利CN108809171A(一种定频PWM全桥式电机微步细分驱动控制方法及电路)介绍了一种太阳帆板驱动机构所使用的步进电机的细分控制方法，该专利采用D/A转换电路产生正余弦参考信号，而本发明未采用D/A转换电路。

专利CN108092576A(一种步进电机细分驱动系统)介绍了一种步进电机细分驱动系统，包括步进电机驱动电路、光电隔离电路、单稳态触发器、稳定电源、微处理器等。该专利主要是应用L6208驱动芯片来完成细分控制，本发明未采用L6208驱动芯片，而是通过FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)编程的方式来实现细分功能。