一种步进电机驱动的动态控制方法及系统
阅读说明：本技术 一种步进电机驱动的动态控制方法及系统 (Dynamic control method and system for driving stepping motor ) 是由 黄荣丰 陈志曼 陈运筹 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种步进电机驱动的动态控制方法及系统,其中,方法包括生成正弦数字信号激励集,所述正弦数字信号激励集包含静态系数和动态系数,其中静态系数用于调整峰值电流幅度,动态系数用于调整瞬时电流幅度；当步进电机驱动器输入电压变化时,动态调整静态系数,使步进电机驱动器输出功率和输出电流保持不变；当步进电机转速改变时,根据电机转速大小实时调整动态系数,使步进电机驱动器输出功率随电机转速变化而保持稳定。上述方法通过动态调整工作电流幅度,进而匹配步进电机的不同工作状态和工作参数,有效提高电机工作精度和稳定性,满足工业应用的复杂需求。(The invention discloses a dynamic control method and a system for driving a stepping motor, wherein the method comprises the steps of generating a sine digital signal excitation set, wherein the sine digital signal excitation set comprises a static coefficient and a dynamic coefficient, the static coefficient is used for adjusting the amplitude of peak current, and the dynamic coefficient is used for adjusting the amplitude of instantaneous current; when the input voltage of the stepping motor driver changes, the static coefficient is dynamically adjusted, so that the output power and the output current of the stepping motor driver are kept unchanged; when the rotating speed of the stepping motor changes, the dynamic coefficient is adjusted in real time according to the rotating speed of the motor, so that the output power of a driver of the stepping motor keeps stable along with the change of the rotating speed of the motor. According to the method, the working current amplitude is dynamically adjusted, so that different working states and working parameters of the stepping motor are matched, the working precision and stability of the motor are effectively improved, and the complex requirements of industrial application are met.)
技术领域
本发明涉及步进电机驱动技术领域，特别是涉及一种步进电机驱动的动态控制方法及系统。
背景技术
在步进电机应用领域，步进电机广泛应用于工农业工程中。由于步进电机必须使用专用的步进电机驱动器来控制运行，因此步进电机驱动器需根据特定的工作电压、工作电流和输出功率，以及特定步进电机型号而设计，这限制了步进电机驱动器的应用灵活性，并带来通用性不强，调试麻烦等缺点，另一方面，步进电机驱动器在驱动不同负载和不同电机转速时，无法根据实际负载去动态调整当前电机的输出功率，易造成高耗能且电机发热量大。
发明内容
本发明的目标在于提供一种步进电机驱动的动态控制方法及系统，能够克服步进电机驱动器在当前应用中存在的上述问题。
本发明第一方面提供了一种步进电机驱动的动态控制方法，所述方法包括：
生成正弦数字信号激励集，所述正弦数字信号激励集包含静态系数和动态系数，其中，所述静态系数被用于根据步进电机静态参数调整峰值电流幅度，所述静态参数包括步进电机驱动器输入电压；所述动态系数被用于根据步进电机动态参数调整瞬时电流幅度，所述动态参数包括步进电机转速；
当所述步进电机驱动器输入电压变化时，动态调整所述静态系数，使所述步进电机驱动器的输出功率和输出电流保持不变；
当所述步进电机转速改变时，根据所述电机转速大小实时调整所述动态系数，使所述步进电机驱动器的输出功率随电机转速变化而保持稳定。
在某一个实施例中，所述静态参数还包括电机型号，当电机线圈内阻及反电动势增大时，对应增大所述静态系数；当电机线圈内阻及反电动势减小时，对应减小所述静态系数。
在某一个实施例中，所述步进电机静态参数还包括电机连接的负载，当所述负载增大时，对应增大所述静态系数；当所述负载减小时，对应减小所述静态系数。
在某一个实施例中，所述正弦数字信号激励集由以下公式确定：Y(t)＝Nsin(x)rk，
其中x为角弧度变量，通过0～2π的正弦弧度进行512步细分时间t所得，其中角弧度为0-360°，t∈(0,512)；N为放大幅度系数，r为静态系数，k为动态系数。
在某一个实施例中，所述步进电机驱动器包括微处理器和外围MOS驱动器件。
本发明第二方面提供了一种步进电机驱动的动态控制系统，包括：
信号生成单元，用于生成正弦数字信号激励集，所述正弦数字信号激励集包含静态系数和动态系数，其中，所述静态系数被用于根据步进电机静态参数调整峰值电流幅度，所述静态参数包括步进电机驱动器输入电压；所述动态系数被用于根据步进电机动态参数调整瞬时电流幅度，所述动态参数包括步进电机转速；
静态系数调整单元，用于当所述步进电机驱动器输入电压变化时，动态调整所述静态系数，使所述步进电机驱动器的输出功率和输出电流保持不变；
动态系数调整单元，用于当所述步进电机转速改变时，根据所述电机转速大小实时调整所述动态系数，使所述步进电机驱动器的输出功率随电机转速变化而保持稳定。
在某一个实施例中，所述静态系数调整单元还用于：
当电机线圈内阻及反电动势增大时，对应增大所述静态系数；当电机线圈内阻及反电动势减小时，对应减小所述静态系数。
在某一个实施例中，所述静态系数调整单元还用于：
当所述负载增大时，对应增大所述静态系数；当所述负载减小时，对应减小所述静态系数。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述任一个实施例所述的方法。
相比现有技术，本发明实施例的有益效果在于：
本发明提供的步进电机驱动的动态控制方法通过动态调整工作电流幅度，使步进电机驱动器适应不同步进电机工作参数和工作状态，更具备灵活性，并有效避免了电机低速运行时因电流过载和功率过大导致烧坏电机的问题，可保持高效率运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的步进电机驱动的动态控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的电机驱动电流波形图；
图3是本发明实施例提供的步进电机驱动的动态控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如图1所示，本发明一个实施例提供一种步进电机驱动的动态控制方法，所述方法具体包括：
S11：生成正弦数字信号激励集，所述正弦数字信号激励集包含静态系数和动态系数，其中，所述静态系数被用于根据步进电机静态参数调整峰值电流幅度，所述静态参数包括步进电机驱动器输入电压；所述动态系数被用于根据步进电机动态参数调整瞬时电流幅度，所述动态参数包括步进电机转速。
在该实施例中，所述正弦数字信号激励集由以下公式确定：Y(t)＝Nsin(x)rk，其中x为角弧度变量，通过0～2π的正弦弧度进行512步细分时间t所得，其中角弧度为0-360°，t∈(0,512)；N为放大幅度系数，通常为常量，r为静态系数，k为动态系数。
在该实施例中，由微控制器MCU生成正弦数字信号激励集，其中静态系数r用于步进电机静态参数改变时调整幅度，所述静态参数包括工作电压、电机型号和负载等；动态系数k用于步进电机动态参数改变时调整幅度，例如电机转速改变时，通过动态系数k，可使驱动器输出功率随电机转速而实时改变。
在该实施例中，所述步进电机驱动器包括微处理器和外围MOS驱动器件。
S12：当所述步进电机驱动器输入电压变化时，动态调整所述静态系数，使所述步进电机驱动器的输出功率和输出电流保持不变。
根据步进电机驱动器输入的工作电压调整静态系数r，输入电压升高，r变小，输入电压降低则r变大，从而实现恒定功率和恒定电流输出。
在该实施例中，所述静态参数还包括电机型号，当电机线圈内阻及反电动势增大时，对应增大所述静态系数；当电机线圈内阻及反电动势减小时，对应减小所述静态系数。
在该实施例中，所述步进电机静态参数还包括电机连接的负载，当所述负载增大时，对应增大所述静态系数；当所述负载减小时，对应减小所述静态系数，从而保持电机高效率运行。
S13：当所述步进电机转速改变时，根据所述电机转速大小实时调整所述动态系数，使所述步进电机驱动器的输出功率随电机转速变化而保持稳定
根据步进电机的反电动势特性可知，电机转速越高，MOS器件导通时间越短，线圈形成的反电动势越高，当PWM调制占空比相同时，步进电机驱动器输出的电流越小；反之，电机转速越低，则驱动器输出电流越大。为了确保电机低速运行时，输出电流不会过载，且功率不会过大烧坏电机，可根据电机转速度实时调整动态系数k。
以三相步进电机驱动器为例，所述正弦数字信号激励集由基波函数构成，基波函数为U(t)＝Nsin(x)，其中正弦数字信号激励集Y(t)在基波函数U(t)的基础上还受r、k两个系数的影响，由正弦数字信号激励集Y(t)生成的三相驱动电流波形图如图2所示，其中，图(1)为基波函数U(t)生成的电流波形图，放大幅度系数N＝1024，静态系数r＝1，动态系数k＝1，当要求调整步进电机驱动器的输出峰值电流时，调整静态系数r，此时r＝0.6，电流波形图如图(2)所示；当升高电机转速至400RPM时，调整动态系数k，并令k＝0.3，从而使步进电机驱动器的输出功率随电机转速对应改变。
本发明实施例通过使用微控制器动态调整正弦数字信号激励集的幅度，进而改变外围MOS器件最终输出的驱动电压和电流的幅度，实现了步进电机驱动器适应不同的工作电压、电机型号、负载和功耗的需求。
如图3所示，本发明一个实施例还提供一种步进电机驱动的动态控制系统，所述系统信号生成单元101、静态系数调整单元102和动态系数调整单元103。
所述信号生成单元101用于生成正弦数字信号激励集，所述正弦数字信号激励集包含静态系数和动态系数，其中，所述静态系数被用于根据步进电机静态参数调整峰值电流幅度，所述静态参数包括步进电机驱动器输入电压；所述动态系数被用于根据步进电机动态参数调整瞬时电流幅度，所述动态参数包括步进电机转速。
所述静态系数调整单元102用于当所述步进电机驱动器输入电压变化时，动态调整所述静态系数，使所述步进电机驱动器的输出功率和输出电流保持不变。
所述动态系数调整单元103用于当所述步进电机转速改变时，根据所述电机转速大小实时调整所述动态系数，使所述步进电机驱动器的输出功率随电机转速变化而保持稳定。
在该实施例中，所述静态系数调整单元103还用于当电机线圈内阻及反电动势增大时，对应增大所述静态系数；当电机线圈内阻及反电动势减小时，对应减小所述静态系数。
在该实施例中，所述静态系数调整单元103还用于当所述负载增大时，对应增大所述静态系数；当所述负载减小时，对应减小所述静态系数。
上述系统内的各单元之间信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述任一个实施例所述的方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可监听存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。