[發明專利]一種定頻PWM全橋式電機微步細分驅動控制方法及電路

有效

• 申請號: 201810502305.0
• 申請日: 2018-05-23
• 公開（公告）號: CN108809171B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 王友平;梁驕雁;馬婷婷;祝曉麗;耿遠迎;閆云;張猛
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: H02P8/22
• 分類號: H02P8/22
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 武瑩

1.一種定頻PWM全橋式電機微步細分驅動控制方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)將太陽帆板驅動機構所使用步進電機的自然步距細分為微步；

(2)將太陽帆板驅動機構驅動線路分為控制線路、驅動線路，令控制線路的D/A轉換電路產生步進電機繞組電流參考正余弦信號、微處理器產生相序信號，將參考正余弦信號、相序信號送至驅動線路，使得步進電機兩相繞組逼近正弦函數、余弦函數的階梯波電流，進而在電機中產生低速旋轉磁場，其中，低速旋轉磁場轉速能夠進行調節進而調整電機轉速；

(3)將步驟(2)得到的參考正余弦信號與固定頻率的鋸齒波進行合成，進而將電流調制成PWM控制信號，完成定頻PWM全橋式電機微步細分驅動控制；

所述的驅動線路采用橋式電路，PWM控制信號輸入到橋式電路上橋臂的大功率管控制端，下橋臂功率管直接采用相序信號，上下橋臂獨立控制；

通過上述驅動控制方法實現的驅動控制電路，包括正余弦信號產生電路、細分電路、鋸齒波發生電路、H橋驅動電路、電流負反饋電路，其中：

正余弦信號產生電路，通過D/A轉換器、D/A基準電壓生成電路、微處理器實現；微處理器在數據總線端將程序存儲器中內置的參考正余弦信號的2n個采樣點數據逐個周期輸出，數據通過D/A轉換器轉換生成對應的2n個模擬量U_SIN和U_COS，構成正弦、余弦的階梯波信號循環輸出，正余弦信號的頻率可通過設置微處理器內部的定時器改變，調節定時時間可以調節電機的轉速；

細分電路，由驅動電路靠精度控制電機相電流產生，通過細分數與電機參數來設置微處理器內部定時器的時間周期，控制正余弦控制信號的離散度，從而控制加在電機繞組控制端的步進脈沖頻率，使得電機轉動一微步的微步距角滿足要求；

鋸齒波發生電路，包括比較器、積分電路及附加線路組成的振蕩電路，發出頻率范圍在3kHz～20kHz內、幅值0～-0.8V左右的鋸齒波，經由運算放大器輸出到功率放大線路，鋸齒波的頻率可通過調節積分電路的電阻、電容值，改變積分電路的時間常數，實現不同頻率的鋸齒波；

H橋驅動電路，通過Q1、Q2、Q3、Q4四個功率管的通斷來實現的，Q1、Q2由正余弦信號與鋸齒波信號的比較輸出控制，工作在PWM開關狀態；Q3、Q4主要由控制電路輸出的相序信號進行控制，工作在常開或常關狀態，電機繞組電流的流向決定四個功率管的工作狀態；

電流負反饋電路，利用H橋下橋臂與功率地間的精密采樣電阻實現對電機繞組正負半波電流的采樣，經過比例積分校正網絡，并以差分方式引入至驅動線路的正余弦信號輸入端，通過比較器實現電流負反饋，以保證電流穩定，從而保證電機輸出轉矩的穩定。

2.根據權利要求1所述的一種定頻PWM全橋式電機微步細分驅動控制方法，其特征在于：所述的自然步距細分為微步的方法包括為：首先將步進電機兩相繞組分別通正弦電流、余弦電流，然后將每個步距細分成2n個微步，使得步進電機以同步機的方式微步平穩運行，其中，n為正整數，取值范圍為3～8。

3.根據權利要求1或2所述的一種定頻PWM全橋式電機微步細分驅動控制方法，其特征在于：所述的參考正余弦信號的產生過程包括如下步驟：

(1)將參考正余弦信號每周期均分為2n個采樣點，然后將得到的2n個采樣點以表格形式存放在程序存儲器中，由控制線路的微處理器定時輸出，并經D/A轉換器產生電機控制電壓，其中，采樣點包括SIN數字量、COS數字量；

(2)D/A轉換器根據SIN數字量、COS數字量產生SIN模擬電壓、COS模擬電壓并作為參考正余弦信號。

4.根據權利要求3所述的一種定頻PWM全橋式電機微步細分驅動控制方法，其特征在于：所述的SIN數字量＝(2k-1)×Sin(2πm/K)，COS數字量＝(2k-1)×Cos(2πm/K)，其中，k為D/A轉換器的轉換位數，m為不大于2n-1的正整數，K＝2n；U_M為步進電機允許最大電流的D/A基準電壓；sin模擬電壓U_SIN＝-|U_MSin(2πm/K)|，cos模擬電壓U_COS＝-|U_MCos(2πm/K)|。

5.根據權利要求1所述的一種定頻PWM全橋式電機微步細分驅動控制方法，其特征在于：所述的上橋臂開關管選用功率三極管，下橋臂開關管采用N溝道功率管，下橋臂與功率地間有電流采樣電阻，上橋臂功率管CE極間反并聯有續流二極管。