阅读说明：本技术 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 (Sensorless detection of load torque for stepper motors and apparatus and method for optimizing drive current for efficient operation ) 是由 B·P·雷迪 A·马拉利 于 2018-11-30 设计创作，主要内容包括：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。(The present invention provides a method for controlling a driving current in a stepping motor, comprising: measuring the stepper motor current; calculating a load angle of the stepping motor; calculating a torque ratio of the stepping motor; generating a reference current according to the torque ratio and a maximum current setting of the stepping motor; and setting a drive current of the stepping motor according to the reference current.)

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

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

在附图标号28处，通过根据以下等式基于角度θ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从d-q参考系变换到固定域中的电压

V_a＝V_d cosθ-V_q sinθ

V_b＝V_d sinθ+V_q cosθ

电流控制器26通过计算V_d和V_q来迫使计算电流I_d和I_q跟随参考电流I_{d_ref}和I_{q_ref}。PI控制器是一种简单且广泛使用的形式的控制器并且适用于此目的。

PWM模块30将输入参考信号与较高频率调制器信号进行比较并且生成其平均值等于输入参考的脉冲输出。

步进驱动器16基于来自PWM模块26的信号在步进线圈L_a和L_b上施加驱动电压。最终，以上解决方案基于固定参考电流I_{d_ref}来提供驱动电流，该固定参考电流基于最大预期负载转矩值。因此，参考电流不是动态的并且导致能量浪费。

发明内容

提出了一种用于检测步进电动机负载转矩并动态调整电流以获得最佳效率的方法。基于电动机电压、电流、电阻和电感，在不使用任何传感器的情况下检测负载转矩。根据负载转矩计算步进电动机电流。所提出的方法可以被实现为现场可编程门阵列(FPGA)中的IP。

本发明通过优化电流来改善步进电动机驱动器的效率。通过本发明，电动机将由于减小的热耗散而较凉爽地运转并且减小或消除强制冷却的需要。这也将减小应用的电动机的尺寸和成本。

附图说明

下面将参考实施方案和附图更详细地解释本发明，附图中示出：

图1是用于以开环控制步进电动机的一种现有技术方法(被称为矢量控制)的框图；

图2是示出根据本发明的用于执行步进电动机的负载转矩的无传感器检测，以及用于在矢量控制系统中动态调整驱动电流以进行有效操作的装置的框图，该矢量控制系统用于控制以开环操作的步进电动机；

图3是示出图2的装置中的电流参考发生器块的示例性实施方案的框图；

图4是示出根据本发明的用于执行步进电动机的负载转矩的无传感器检测，以及用于在矢量控制系统中动态调整驱动电流以进行步进电动机的有效操作的示例性方法的流程图，该矢量控制系统用于控制以开环操作的步进电动机；

图5A是示出作为时间的函数的负载转矩的曲线图；并且

图5B是示出基于在本文公开的实施方案中提出的计算的对电动机负载转矩变化的典型响应的曲线图。

具体实施方式

本领域普通技术人员将认识到，本发明的以下描述仅是示例性的而非以任何方式进行限制。本发明的其他实施方案将易于向本领域技术人员提出。

现在参考图2，框图示出了根据本发明的装置40，该装置被配置为执行步进电动机的负载转矩的无传感器检测，以及在矢量控制系统中动态调整驱动电流以进行有效操作，该矢量控制系统用于控制以开环操作的步进电动机。图2中描绘的元件中的一些也存在于图1所示的系统中。这些元件将在图2中使用在图1中用于表示其相似部分的相同附图标号来进行引用。

如在图1中描绘的系统中，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(诸如串联电阻器或霍尔传感器)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的期望步长数和期望转速生成。步进角度模块20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

电流控制器26通过计算V_d和V_q来调节变换电流I_d和I_q。参考电流I_{q_ref}始终设置为0并且参考电流由参考电流发生器模块42动态生成。然后在附图标号28处使用逆派克变换将电压V_d和V_q变换成计算电压V_a和V_b。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。“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。

在附图标号18处，通过根据以下等式基于施加角度θ使用派克变换来计算电流I_q和I_d，将电流I_a和I_b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_a sinθ+I_b cosθ

在附图标号28处，通过根据以下等式基于施加角度θ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从d-q参考系变换到固定域中的电压：

V_a＝V_d cosθ-V_q sinθ

V_b＝V_d sinθ+V_q cosθ

电流控制器26通过计算V_d和V_q来迫使电流I_d和I_q跟随参考电流I_{d_ref}和I_{q_ref}。PI控制器是一种简单且广泛使用的形式的控制器并且适用于此目的。

PWM模块30将输入参考信号与较高频率调制器信号进行比较并且生成其平均值等于输入参考的脉冲输出。

步进驱动器16基于来自PWM模块30的信号在步进线圈L_a和L_b上施加驱动电压。

根据本发明，负载角度δ是基于测量的电压和电流来计算的，并且由参考电流发生器模块42用来计算参考电流值。d-q域中的步进电动机的电压等式为：

Vd＝I_d R-I_q Lw+KNwsinδ 等式(1)

Vq＝I_q R+I_d LNw+Nwcosδ 等式(2)

其中：

N＝步进电动机中的齿数

w＝转子转速

R＝步进电动机线圈的电阻

L＝步进电动机线圈的电感

K＝步进电动机的反电动势常数

δ＝负载角度，即转子磁场和定子电流之间的角度

针对步进电动机控制，I_q被迫使为零，因此上述等式可以被简化为：

KNwsinδ＝V_d-I_d R 等式(3)

KNwcosδ＝V_q-I_d LNw 等式(4)

可以使用反正切、通过查找表、或CORDIC算法，响应于输入I_d、I_q和V_d根据上述等式找到负载角度δ，如：

δ＝tan^-1(KNwsinδ/KNwcosδ) 等式(5)

参考电流发生器模块42求解等式(3)、等式(4)和等式(5)，并且确定参考电流的值。根据以上等式计算的δ的值用于设置参考电流发生器模块42的输出参考电流I_dref的值，其被馈送到电流控制器26以代替现有技术的固定参考。在实施方案中，除了步进电动机驱动器16和步进电动机10之外，装置40的所有元件都在FPGA 48中实现。

现在参考图3，框图示出了图2的装置中的参考电流发生器模块42的示例性实施方案。

参考电流发生器模块42计算参考电流I_dref的值。等式(3)在正弦项计算器块50中实现，并且等式(4)在余弦项计算器块52中实现以分别找到正弦项和余弦项。

所计算的电压和电流V_d、I_{d_ref}以及步进线圈的电阻R分别在线54、56和58上呈现给正弦项计算器50。值R是被控制的步进电动机10的恒定特性，并且因此由在初始设置或设计期间设置的寄存器值供应。项V_q、I_{d_ref}、L、N和w分别在线60、62、64、66和68上呈现给余弦项计算器52，其中L和N由在初始设置或设计期间设置的寄存器值供应，并且I_{d_ref}从参考电流发生器模块42的输出呈现作为反馈。值L和N是被控制的步进电动机10的恒定特性，并且w是图2中的期望转速命令24。如本领域普通技术人员将理解的，正弦项计算器50和余弦项计算器58可以容易地由可容易地在FPGA 48中实现的算术电路来配置。

绝对值块70和72分别将任何负正弦值和余弦值转换为正值，并且然后使用反正切以在反正切块74中找到负载角度δ。从反正切块74输出的负载角度δ在除法块78中除以在附图标号76处提供的量π/2(90°)，以获得负载转矩相对于额定电动机转矩的比率(转矩比率)。如本领域普通技术人员将理解的，反正切计算器70可以容易地由可容易地在FPGA 48中实现的算术电路来配置。

从除法块78输出的转矩比率穿过低通滤波器80以移除噪声。已滤波的转矩比率在乘法器82处乘以在附图标号84处提供的“最大电流”值设置，以获得表示满足线86上的负载转矩所需的电流的电流参考。在附图标号84处的最大电流值设置由用户设置并且取决于应用。根据本发明的一个实施方案，该值被设置为电动机的额定电流。由于图2中的电流控制器模块26迫使实际电流跟随参考电流，因此使用参考电流I_{d_ref}来代替等式(3)和(4)中的固定的I_d。

参考电流发生器模块42自动计算满足当前电流负载转矩所需的电流。其可以确保仅将响应当前负载的动态计算电流供应给电动机，而不是在所有负载状况下都通过最大电流驱动电动机。

由于所涉及的等式的简单性，在一个实施方案中，在FPGA 48中实现了本发明的提出的装置和方法。本领域普通技术人员将认识到，本发明不限于FPGA设备的使用，而是还适用于微控制器或DSP解决方案。

现在参考图4，流程图示出了根据本发明的示例性方法90，该方法用于在矢量控制系统中动态计算步进电动机的电流设置，该矢量控制系统用于控制以开环操作的步进电动机。该方法在附图标号92处开始。

在附图标号94处，根据由用户输入的转速w和步长数生成步进角度。在附图标号96处，根据PWM模块30运行步进电动机。在附图标号98处，测量电流I_a和I_b并将其转换为值。在附图标号100处，使用派克变换以将测量电流I_a和I_b的值转换为值I_d和I_q。在附图标号102处，根据电流值I_d和I_q生成电压值V_d和V_q。在附图标号104处，计算负载角度δ。在附图标号106处，响应于电压值V_d和V_q以及值I_d来计算转矩比率。在附图标号108处，使转矩比率经过低通滤波以移除噪声。在附图标号110处，通过将已滤波的转矩比率乘以“最大电流”值来计算参考电流值I_{d_ref}。在附图标号112处，将计算的基准电流值I_{d_ref}提供给电动机电流控制器(图2中的附图标号26)。应当注意，参考电流值I_{d_ref}也被提供给负载角度δ的附图标号104处的计算。该方法然后在附图标号114处结束。作为本发明的装置和方法的操作的示例，假设电动机以10％的负载转矩操作并且在某个持续时间后变为50％的负载转矩。

现在参考图5A，即示出作为时间的函数的负载转矩的曲线图。图5B示出了本实施方案的对于图5A的在10％和50％的负载转矩值下的负载转矩变化的响应。

图5A的曲线图示出了电动机以最大预期负载转矩的10％启动的情况。在启动时，如图5B所示，对于第一计算实例，计算的负载角度和电流参考将为零。在启动后，随着在图2的步进角度模块20中计算的步进角度增大，负载角度增大，并且如图5B所示，电流参考随着由低通滤波器引入的延迟而增加。可以通过改变低通滤波器的时间常数来配置响应时间。

直到电流参考值大于克服负载转矩所需的电流时，步进电动机才会旋转。因此，计算的负载角度继续增加。当电流参考值增加到比等于负载转矩的值更高时，步进电动机开始旋转并且负载角度开始减少，如图5B中的附图标号120所示。当计算的负载角度值的百分比等于电流参考值的百分比时，电流参考达到稳定值，该百分比在图5A和图5B所示的情况中为31.6％。

当负载转矩经历如图5A中的附图标号122所示的从10％到50％的步长变化时，负载角度开始增大，因为31.6％的电流参考值比等于50％的负载转矩的电流更小。负载角度的增加再次导致电流参考值的增加，以及由于低通滤波器而引起的延迟。当电流参考值增加超过50％时，负载角度开始减少，如图5B中的附图标号124所示。当计算的负载角度值的百分比等于电流参考值的百分比时，电流参考达到稳定值，该百分比在50％的负载转矩的情况下为70.7％，如图5A和图5B所示。

虽然已经示出和描述了本发明的实施方案和应用，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，以上示例只是许多可能情况中的一个，并且在不脱离本文的发明构思的情况下，可以进行比上述更多的修改。因此，除了所附权利要求的实质之外，本发明不受限制。